L'efecte Seebeck: Com les diferències de temperatura generen electricitat
L'efecte Seebeck és un fenòmen que converteix les diferències de temperatura en voltatge elèctric i viceversa. Rep el nom de Thomas Johann Seebeck, un físic alemany que el va descobrir el 1821. L'efecte Seebeck és la base dels termopars, els generadors termoelèctrics i la caloritronia espin.
Què és l'efecte Seebeck?
L'efecte Seebeck es defineix com la generació d'un potencial elèctric (o voltatge) entre dos conductors o semiconductors diferents connectats en un circuit tancat amb una diferència de temperatura entre les seves juntes. El voltatge és proporcional a la diferència de temperatura i depèn dels materials utilitzats.
Per exemple, un termopar és un dispositiu que utilitza l'efecte Seebeck per mesurar la temperatura. Consisteix en dos fils fets de metalls diferents (com el cobre i el ferro) que estan unides a ambdós extrems. Un extrem s'exposa a una font de calor (com una flama) i l'altre s'manté fred (com en aigua de gel). La diferència de temperatura entre els extrems crea un voltatge a través dels fils, que es pot mesurar amb un voltmetre.
L'efecte Seebeck també es pot utilitzar per generar electricitat a partir de calor residual. Un generador termoelèctric és un dispositiu que consisteix en molts termopars connectats en sèrie o paral·lel. El costat calent dels termopars s'atura a una font de calor (com un motor o un forn) i el costat fred s'atura a un dissipador de calor (com l'aire o l'aigua). La diferència de temperatura entre els costats produeix un voltatge que pot alimentar una càrrega elèctrica (com una bombeta o un ventilador).
Com funciona l'efecte Seebeck?
L'efecte Seebeck es pot explicar pel comportament dels electrons en els conductors i semiconductors. Els electrons són partícules carregades negativament que es mouen lliurement en aquests materials. Quan un conductor o un semiconductor es calenta, els seus electrons guanyen més energia cinètica i tendeixen a moure's més ràpid. Això els fa difondre des de la regió calenta cap a la regió freda, creant una corrent elèctrica.
No obstant això, diferents materials tenen diferents nombres i tipus d'electrons disponibles per a la conducció. Alguns materials tenen més electrons que d'altres, i alguns tenen electrons amb diferents orientacions d'espin. L'espin és una propietat quàntica dels electrons que els fa actuar com a minúsculs magnets. Quan es junten dos materials amb característiques d'electrons diferents, formen una interfície on els electrons poden intercanviar energia i espin.
L'efecte Seebeck ocorre quan dues aquestes interfícies són subjectes a una diferència de temperatura. Els electrons a l'interfície calenta guanyen més energia i espin de la font de calor i els transmeten als electrons a l'interfície freda a través del circuit. Això crea un desequilibri de càrrega i espin entre les interfícies, resultant en un potencial elèctric i un camp magnètic. El potencial elèctric impulsa una corrent elèctrica a través del circuit, mentre que el camp magnètic desvia una agulla de brúixola col·locada a prop seu.
Quines són les aplicacions de l'efecte Seebeck?
L'efecte Seebeck té moltes aplicacions en la ciència, l'enginyeria i la tecnologia. Algunes d'elles són:
Termopars: Són dispositius que utilitzen l'efecte Seebeck per mesurar la temperatura amb alta precisió i sensibilitat. Es fan servir àmpliament en indústries, laboratoris i llars per diversos propòsits, com controlar forns, monitoritzar motors, mesurar la temperatura corporal, etc.
Generadors termoelèctrics: Són dispositius que utilitzen l'efecte Seebeck per convertir la calor residual en electricitat per a aplicacions especials, com alimentar naves espacials, sensors remots, implants mèdics, etc.
Caloritronia espin: És una branca de la física que estudia com la calor i l'espin interactuen en materials magnètics. L'efecte Seebeck juga un paper important en aquest camp, ja que pot crear corrents d'espin i voltatges a partir de gradients de temperatura. Això pot portar a dispositius novadors per al processament i emmagatzematge d'informació, com bateries d'espin, transistors d'espin, vànues d'espin, etc.
Quins són els avantatges i limitacions de l'efecte Seebeck?
L'efecte Seebeck té alguns avantatges i limitacions que afecten el seu rendiment i eficiència. Alguns d'ells són:
Avantatges: L'efecte Seebeck és simple, fiable i versàtil. No requereix parts mòbils ni fonts d'energia externes. Pots funcionar en un ampli rang de temperatures i materials. Pot generar electricitat a partir de fonts de calor de baixa qualitat que, de no ser així, es perdrien.
Limitacions: L'efecte Seebeck està limitat per la disponibilitat i compatibilitat dels materials. Requereix materials amb alta conductivitat elèctrica i baixa conductivitat tèrmica per aconseguir un voltatge elevat i una pèrdua de calor baixa. També requereix materials amb diferents coeficients Seebeck per crear una diferència de voltatge. El coeficient Seebeck és una propietat que mesura quant de voltatge es genera per unitat de diferència de temperatura per a un material determinat. El coeficient Seebeck depèn del tipus i concentració de portadors de càrrega, els seus nivells d'energia i les seves interaccions amb la retícula. El coeficient Seebeck pot variar amb la temperatura, la composició i el camp magnètic. Trobar materials amb coeficients Seebeck alts i estables és un repte per a les aplicacions termoelèctriques.
Quins són els tipus de materials utilitzats per l'efecte Seebeck?
Els materials utilitzats per l'efecte Seebeck es poden classificar en tres categories: metalls, semiconductors i superconductors.
Metalls: Els metalls són bons conductors tant d'electricitat com de calor. Tenen coeficients Seebeck baixos i alta conductivitat tèrmica, el que els fa ineficients per a aplicacions termoelèctriques. No obstant això, els metalls són fàcils de fabricar i connectar, i tenen una gran resistència mecànica i estabilitat. Els metalls s'utilitzen comunament en termopars, on la precisió i la durabilitat són més importants que l'eficiència. Alguns exemples de parells de metalls utilitzats en termopars són cobre-constantan, ferro-constantan, cromel-alumel, etc.
Semiconductors: Els semiconductors són materials que tenen una conductivitat elèctrica intermediària que es pot controlar dopant-los o aplicant un camp elèctric. Tienen coeficients Seebeck més alts i conductivitat tèrmica més baixa que els metalls, el que els fa més adequats per a aplicacions termoelèctriques. No obstant això, els semiconductors són més difícils de fabricar i connectar, i tenen una resistència mecànica i estabilitat més baixa que els metalls. Els semiconductors s'utilitzen comunament en generadors i refrigeradors termoelèctrics, on l'eficiència i el rendiment són més importants que la precisió i la durabilitat. Alguns exemples de parells de semiconductors utilitzats en dispositius termoelèctrics són bismut telurid-antimoni telurid, plom telurid-silici germànic, etc.
Superconductors: Els superconductors són materials que tenen zero resistència elèctrica per sota d'una temperatura crítica. Tienen coeficients Seebeck molt alts i conductivitat tèrmica molt baixa, el que els fa ideals per a aplicacions termoelèctriques. No obstant això, els superconductors són molt rars i caros, i requereixen temperatures molt baixes per a funcionar, el que limita la seva utilització pràctica. Els superconductors es fan servir principalment per a investigacions, com l'estudi de l'efecte Seebeck d'espin, que és un fenòmen que involucra la generació d'un voltatge d'espin a partir d'un gradient de temperatura en un material magnètic.
Conclusió
L'efecte Seebeck és un fenòmen fascinant que converteix les diferències de temperatura en voltatge elèctric i viceversa. Té moltes aplicacions en la ciència, l'enginyeria i la tecnologia, com termopars, generadors termoelèctrics, refrigeradors termoelèctrics i caloritronia espin. L'efecte Seebeck depèn dels materials utilitzats, la seva conductivitat elèctrica, la conductivitat tèrmica i el coeficient Seebeck. Trobar materials amb coeficients Seebeck alts i estables és un repte per a millorar l'eficiència i el rendiment dels dispositius termoelèctrics.
