O efeito Seebeck é um fenômeno no qual uma tensão é gerada entre as extremidades de um condutor quando a temperatura em uma extremidade é diferente da temperatura na outra extremidade. É nomeado em homenagem ao físico alemão Thomas Johann Seebeck, que o descreveu pela primeira vez no início do século XIX.
O efeito Seebeck baseia-se no fato de que o movimento de portadores de carga, como elétrons, em um condutor gera calor. Quando uma diferença de temperatura é aplicada em um condutor, os portadores de carga na extremidade quente têm mais energia cinética do que aqueles na extremidade fria, levando a um fluxo líquido de carga da extremidade quente para a fria. Este fluxo de carga cria uma tensão através do condutor, que pode ser medida usando um voltímetro.
A magnitude da tensão gerada pelo efeito Seebeck é proporcional à diferença de temperatura através do condutor e às propriedades do próprio condutor. Diferentes materiais possuem diferentes coeficientes de Seebeck, que descrevem a tensão gerada por unidade de diferença de temperatura.
O efeito Seebeck é a base para o funcionamento dos geradores termoelétricos, que são dispositivos que convertem calor em eletricidade. Eles funcionam utilizando o efeito Seebeck para gerar uma tensão através de um condutor, e então utilizando essa tensão para conduzir uma corrente através de uma carga externa, como uma lâmpada ou uma bateria.
O coeficiente de Seebeck é a tensão produzida entre dois pontos em um condutor quando uma diferença de temperatura de 1º Kelvin é mantida entre eles. A temperatura ambiente, uma combinação de cobre e constantan tem um coeficiente de Seebeck de 41 microvolts por Kelvin.
S = ΔV/ΔT = (Vfrio − Vquente)/(Tquente-Tfrio)
Onde,
ΔV significa a diferença de tensão obtida introduzindo uma pequena mudança de temperatura (ΔT) ao longo do material.
ΔV é definido como a tensão no lado frio menos a tensão no lado quente.
Se a diferença entre Vfrio e Vquente for negativa, o coeficiente de Seebeck será negativo.
Se ΔT for considerado pequeno.
Como resultado, podemos definir o coeficiente de Seebeck como a primeira derivada da tensão produzida em relação à temperatura:
S = d V /d T
No entanto, foi descoberto em 2008 que, quando o calor é aplicado a um metal magnético, seus elétrons se rearranjam de acordo com seu spin. No entanto, esse rearranjo não era responsável pela geração de calor. Este fenômeno é o mesmo que o efeito spin Seebeck. Este efeito foi empregado na criação de microinterruptores rápidos e eficientes.
A condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura, exibindo características de semicondutor. O alto coeficiente de Seebeck e a baixa condutividade elétrica do CuAlO2 são devidos à alta massa efetiva dos buracos de carga.
O termopar é um dispositivo elétrico que consiste em duas juntas de metais dissimilares unidas. Ele é empregado como sensor de temperatura. Funciona com base no princípio do efeito Seebeck.
Os geradores termoelétricos têm várias aplicações potenciais, incluindo geração de energia para locais remotos ou fora da rede, recuperação de calor residual e detecção de temperatura. Eles são particularmente úteis em situações onde outras formas de geração de energia não são práticas, como em naves espaciais ou em áreas remotas onde o acesso a combustível é limitado.
Este efeito Seebeck é frequentemente utilizado em termopares para medir variações de temperatura ou para ativar interruptores elétricos que ligam ou desligam o sistema. As combinações metálicas de termopares comumente utilizadas incluem constantan/cobre, constantan/ferro, constantan/chrome e constantan.
O efeito Seebeck é empregado em geradores termoelétricos, que servem como motores térmicos.
Estes também são utilizados em algumas usinas de energia para converter calor residual em energia adicional.
Além de sua utilização em geradores termoelétricos, o efeito Seebeck e fenômenos relacionados, como o efeito Peltier e o efeito Thomson, têm diversas outras aplicações em campos como a termometria e a termodinâmica. Eles também são utilizados no estudo de materiais e dispositivos termoelétricos.
Uma desvantagem dos geradores termoelétricos é que eles não são muito eficientes. A eficiência de um gerador termoelétrico é geralmente medida por seu mérito figura, que é uma medida da capacidade do dispositivo de converter calor em eletricidade. A maioria dos geradores termoelétricos tem um mérito figura inferior a 1, o que significa que convertem menos de 1% do calor que absorvem em eletricidade. Esta baixa eficiência limita as aplicações práticas dos geradores termoelétricos, mas pesquisadores estão trabalhando no desenvolvimento de novos materiais e designs que podem melhorar sua eficiência no futuro.
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