Efeito Seebeck

Efeito Peltier-Seebeck

O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica).

É o reverso do efeito Peltier que é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma diferença de potencial (tensão elétrica) em um circuito fechado (consequentemente, percorrido por uma corrente elétrica).

Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoelétrico.

O efeito Seebeck é devido a dois fenômenos: difusão de portadores de carga e arrastamento fônon.

Histórico

O efeito Seebeck é assim denominado em reconhecimento ao físico estoniano Thomas Johann Seebeck no início do século XIX. Sua investigação teve como precursores os experimentos de Franz Aepinus e Alessandro Volta e como sucessores os trabalhos de Jean Charles Peltier e William Thomson.^[1]

Princípios físicos

Princípio físico de um condutor metálico submetido a um gradiente de temperatura

O princípio termoelétrico dos termopares deriva de uma propriedade física dos condutores metálicos submetidos a um gradiente térmico em suas extremidades: a extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts.

Na figura ao lado o valor da força eletromotriz ${\displaystyle \Delta E}$ depende da natureza dos materiais e do gradiente de temperatura nos mesmos. Quando o gradiente de temperatura é linear, a diferença de potencial elétrico ${\displaystyle \Delta E=E_{2}-E_{1}>0}$ depende apenas do material e das temperaturas ${\displaystyle T_{1}}$ e ${\displaystyle T_{2}}$, (${\displaystyle T_{2}>T_{1}}$), formalmente representado pela fórmula:

${\displaystyle S={\Delta E \over \Delta T}}$

onde S é o coeficiente termodinâmico de Seebeck, ${\displaystyle \Delta T}$ é a diferença de temperatura ${\displaystyle \Delta T=T_{2}-T_{1}}$ e ${\displaystyle \Delta E}$ é a diferença de potencial elétrico usualmente medido em milivolts em função da diferença de temperatura (mV/°C).

Quando dois condutores metálicos A e B de diferentes naturezas são acoplados mediante um gradiente de temperatura, os elétrons de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial elétrico num efeito semelhante a uma pilha eletroquímica. Esse efeito é conhecido como Efeito Seebeck sendo capaz de transformar energia térmica em energia elétrica com base numa fonte de calor mediante propriedades físicas dos metais.

Princípio físico de um termopar metálico submetido a um gradiente de temperatura

A figura ao lado representa dois metais acoplados num dispositivo termopar do tipo T (Cu 100 %; Constantan, Cu 55 %, Ni 45 %). Quando associamos dois metais num termopar, a força eletro motriz gerada é:

${\displaystyle E=\int _{T_{1}}^{T_{2}}\left(S_{\mathrm {B} }(T)-S_{\mathrm {A} }(T)\right)\,dT}$

onde S_A e S_B são os coeficientes de Seebeck dos metais A e B, T₁ e T₂ representam a diferença de temperatura na junção dos materiais. Os coeficientes de Seebeck são não-lineares e dependem da temperatura absoluta, material, e da estrutura molecular. Se os coeficientes de Seebeck podem ser considerados efetivamente constantes numa certa gama de temperatura, a fórmula acima pode ser aproximada por:

${\displaystyle E=(S_{\mathrm {B} }-S_{\mathrm {A} })\cdot (T_{2}-T_{1})}$

Desse modo é possível obter-se energia elétrica usando-se uma fonte de calor.

Utilização

Atualmente o efeito Seebeck é muito utilizado para a construção de termômetros em que se mede diferença de temperatura através de um voltímetro calibrado para este fim.

Outra aplicação deste mesmo efeito é a construção de pilhas atômicas (Gerador termoelétrico de radioisótopos) para produzir pequenas potências, mas de longa duração, o que é necessário em situações especiais como na sonda Cassini-Huygens e nas sondas Voyager.

Desvantagem

A maior desvantagem da utilização da geração de energia termelétrica direta é a baixa potência. Isto obriga a construção de milhares de células termelétricas para a obtenção de alguns watts.

Ver também

• Termopar
• Efeito Peltier
• Efeito Joule
• Força eletromotriz de Thomson

Referências

1. Goupil, Christophe; Ouerdane, Henni; Zabrocki, Knud; Seifert, Wolfgang; Hinsche, Nicki F.; Müller, Eckhard (2016). «Thermodynamics and thermoelectricity». In: Goupil, Christophe. Continuum Theory and Modeling of Thermoelectric Elements (em inglês). New York: Wiley-VCH. p. 2–3. ISBN 9783527413379 

Ligações externas

• «Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz» (em alemão) 

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