L'Effetto Seebeck

L'effetto Seebeck è un fenomeno in cui si genera una tensione tra le estremità di un conduttore quando la temperatura a una estremità è diversa da quella all'altra estremità. È chiamato così in onore del fisico tedesco Thomas Johann Seebeck, che lo descrisse per la prima volta all'inizio del XIX secolo.

Definire l'effetto Seebeck?

L'effetto Seebeck si basa sul fatto che il movimento dei portatori di carica, come gli elettroni, in un conduttore genera calore. Quando viene applicata una differenza di temperatura su un conduttore, i portatori di carica all'estremità calda hanno più energia cinetica rispetto a quelli all'estremità fredda, il che porta a un flusso netto di carica dall'estremità calda a quella fredda. Questo flusso di carica crea una tensione attraverso il conduttore, che può essere misurata utilizzando un voltmetro.

L'entità della tensione generata dall'effetto Seebeck è proporzionale alla differenza di temperatura attraverso il conduttore e alle proprietà del conduttore stesso. Diversi materiali hanno diversi coefficienti di Seebeck, che descrivono la tensione generata per unità di differenza di temperatura.

L'effetto Seebeck è alla base del funzionamento dei generatori termoelettrici, dispositivi che convertono il calore in elettricità. Funzionano sfruttando l'effetto Seebeck per generare una tensione attraverso un conduttore, e quindi utilizzando tale tensione per far passare una corrente attraverso un carico esterno, come una lampadina o una batteria.

Il coefficiente di Seebeck:

Il coefficiente di Seebeck è la tensione prodotta tra due punti di un conduttore quando viene mantenuta una differenza di temperatura di 1 grado Kelvin tra essi. A temperatura ambiente, una combinazione di rame e costantan ha un coefficiente di Seebeck di 41 microvolt per Kelvin.

S = ΔV/ΔT = (Vfreddo − Vcaldo)/(Tcaldo-Tfreddo)

Dove,

• ΔV indica la differenza di tensione ottenuta introducendo un piccolo cambiamento di temperatura (ΔT) lungo il materiale.

• ΔV è definito come la tensione sul lato freddo meno la tensione sul lato caldo.

Se la differenza tra Vfreddo e Vcaldo è negativa, il coefficiente di Seebeck è negativo.

Se ΔT è considerato piccolo.

Di conseguenza, possiamo definire il coefficiente di Seebeck come la prima derivata della tensione prodotta rispetto alla temperatura:

S = d V /d T

L'effetto Seebeck di spin:

Tuttavia, nel 2008 è stato scoperto che quando si applica calore a un metallo magnetico, i suoi elettroni si riorganizzano in base al loro spin. Tuttavia, questa riorganizzazione non era responsabile della generazione di calore. Questo fenomeno è lo stesso dell'effetto Seebeck di spin. Questo effetto è stato utilizzato nella creazione di interruttori micro veloci ed efficienti.

Perché il coefficiente di Seebeck aumenta con l'aumento della temperatura?

La conducibilità elettrica aumenta con l'aumento della temperatura, mostrando caratteristiche semiconduttrici. L'elevato coefficiente di Seebeck e la bassa conducibilità elettrica del CuAlO2 sono dovuti alla massa efficace elevata delle buche di carica.

Quale sensore rileva l'effetto Seebeck?

Il termocoppio è un dispositivo elettrico che consiste in due giunti di metalli dissimili uniti insieme. Viene impiegato come sensore di temperatura. Opera secondo il principio dell'effetto Seebeck.

Applicazioni dell'effetto Seebeck:

• I generatori termoelettrici hanno numerose potenziali applicazioni, tra cui la generazione di energia per località remote o fuori rete, il recupero di calore disperso e la rilevazione di temperature. Sono particolarmente utili in situazioni in cui altre forme di generazione di energia non sono praticabili, come nei veicoli spaziali o in aree remote dove l'accesso al combustibile è limitato.

• Questo effetto Seebeck è frequentemente utilizzato nei termocoppie per misurare variazioni di temperatura o per attivare interruttori elettrici che accendono o spegnono il sistema. Le combinazioni di metalli per termocoppie comunemente utilizzate includono costantan/rame, costantan/ferro, costantan/cromo e costantan.

• L'effetto Seebeck è utilizzato nei generatori termoelettrici, che fungono da motori termici.

• Questi sono anche utilizzati in alcune centrali elettriche per convertire il calore disperso in energia aggiuntiva.

• Oltre all'utilizzo nei generatori termoelettrici, l'effetto Seebeck e fenomeni correlati, come l'effetto Peltier e l'effetto Thomson, hanno numerose altre applicazioni in campi come la termometria e la termodinamica. Sono inoltre utilizzati nello studio di materiali e dispositivi termoelettrici.

Limiti dell'effetto Seebeck:

Uno svantaggio dei generatori termoelettrici è che non sono molto efficienti. L'efficienza di un generatore termoelettrico è solitamente misurata dal suo merito di figura, che è un indice della capacità del dispositivo di convertire calore in elettricità. La maggior parte dei generatori termoelettrici ha un merito di figura inferiore a 1, il che significa che convertono meno del 1% del calore assorbito in elettricità. Questa bassa efficienza limita le applicazioni pratiche dei generatori termoelettrici, ma i ricercatori stanno lavorando allo sviluppo di nuovi materiali e progetti che potrebbero migliorarne l'efficienza in futuro.

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