Efeito Seebeck
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El efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura directamente a electricidad.
Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los electrones se ven excitados a niveles energéticos de manera diferente dependiendo del material, provocando una diferencia de potencial en la unión de estos y, consecuentemente, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y concepción del término “termoelectricidad”.
El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41 microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.
En el circuito:.
(que puede estar en varias configuraciones diferentes y regirse por la misma ecuación), el voltaje obtenido puede ser derivado de:.
S y S son los coeficientes Seebeck de los metales A y B en función de la temperatura, y T y T son las temperaturas de las dos uniones. Los coeficientes Seebeck no son lineales en función de la temperatura, y dependen de la temperatura absoluta, material y estructura molecular de los conductores. Si los coeficientes Seebeck son efectivamente constantes para el rango de temperatura medido, la fórmula anterior puede aproximarse como:.
El efecto Seebeck se usa comúnmente en dispositivos llamados termopar (porque está hecho de un acople o unión de materiales, generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura directamente o para medir una temperatura absoluta colocando un extremo a una temperatura conocida. Una sonda metálica mantenida a una temperatura constante en contacto con un segundo metal de composición desconocida puede clasificarse por este efecto TE. Instrumentos de control de calidad industriales usan este efecto Seebeck para identificar aleaciones metálicas. Esto se conoce como clasificación Termoeléctrica de aleación.
Varios termopares cuando se conectan en serie son llamados termopila, la cual se construye a veces para aumentar el voltaje de salida ya que el voltaje inducido sobre cada acople es bajo.
Este es también el principio de trabajo detrás de los diodos térmicos y generadores termoeléctricos (tales como los generadores termoeléctricos de radioisótopos o GTR) los cuales se usan para crear potencia a partir de la diferencia de calor.
El efecto Seebeck se debe a dos efectos difusión de portador de carga y arrastre de fonones (descritos abajo). Si ambas conexiones se mantienen a la misma temperatura, pero una conexión se abre y cierra periódicamente, se mide un voltaje AC, el cual es también dependiente de la temperatura. Esta aplicación de la sonda Kelvin") a veces se usa para demostrar que la física subyacente solo necesita una unión. Y este efecto se ve aún si los alambres solo se acercan, pero no se tocan, así no se necesita difusión.
Coeficiente de Seebeck
O Coeficiente de Seebeck de um material mede a magnitude de uma tensão termoelétrica induzida em resposta a uma diferença de temperatura nesse material. O coeficiente de Seebeck tem unidades de (V/K), embora na prática seja mais comum usar microvolts por Kelvin. Valores na casa das centenas de V/K, negativos ou positivos, são típicos de bons materiais termoelétricos. O termo termopotência é um nome impróprio, pois mede a tensão ou o campo elétrico induzido em resposta à diferença de temperatura, e não à energia elétrica. Uma diferença de temperatura aplicada faz com que portadores carregados no material, sejam eles elétrons ou buracos, se difundam do lado quente para o lado frio, semelhante à expansão clássica do gás quando aquecido. As operadoras móveis carregadas migram para o lado frio, deixando para trás seu núcleo imóvel com carga oposta ao lado quente, dando origem à tensão termoelétrica (termoelétrica refere-se ao fato de que a tensão é criada por uma diferença de temperatura). Como a separação de cargas também cria um potencial elétrico, o acúmulo de portadores carregados no lado frio eventualmente cessa em algum valor máximo, uma vez que há uma quantidade de portadores carregados derivados movidos para o lado quente como resultado do campo elétrico em equilíbrio. Somente um aumento na diferença de temperatura pode retomar um acúmulo de mais portadores de carga no lado frio e, assim, levar a um aumento na tensão termoelétrica. Coincidentemente, o coeficiente de Seebeck também mede a entropia "Entropia (termodinâmica)") por portador de carga no material. Para ser mais específico, diz-se que a capacidade térmica eletrônica molar parcial é igual à potência termoelétrica absoluta multiplicada pelo negativo da constante de Faraday.
O coeficiente de Seebeck de um material representado por (ou às vezes por), depende da temperatura e da estrutura cristalina do material. Os metais normalmente têm coeficientes de Seebeck baixos porque a maioria tem bandas preenchidas pela metade. Tanto os elétrons (cargas negativas) quanto as lacunas (cargas positivas) contribuem para a tensão termoelétrica induzida, cancelando assim a contribuição um do outro para a tensão e tornando-a pequena. Por outro lado, os semicondutores podem ser dopados "Doping (semicondutores)") com uma quantidade excessiva de elétrons ou buracos e, portanto, podem ter grandes valores positivos ou negativos do coeficiente de Seebeck dependendo da carga dos portadores em excesso. O sinal do coeficiente de Seebeck pode definir quais portadores carregados dominam o transporte elétrico tanto em metais quanto em semicondutores.
Se a diferença de temperatura entre os dois extremos de um material for pequena, então o coeficiente Seebeck de um material é definido (aproximadamente) como:.
e uma tensão termoelétrica é vista nos terminais.
Assim, uma relação entre o campo elétrico e o gradiente de temperatura pode ser escrita aproximando a equação:
Difusão de portadora de carga
Os portadores de carga nos materiais (elétrons nos metais, elétrons e lacunas nos semicondutores, íons nos condutores iônicos) se difundirão quando uma extremidade do condutor estiver a uma temperatura diferente da outra. Os portadores quentes se difundirão da extremidade quente para a extremidade fria, uma vez que há uma densidade menor de portadores quentes na extremidade fria do condutor. Os transportadores frios se difundirão da extremidade fria para a extremidade quente pela mesma razão.
Se o condutor pudesse atingir o equilíbrio termodinâmico, esse processo resultaria na distribuição uniforme de calor por todo o condutor (ver transferência de calor). O movimento de calor (na forma de portadores carregados) de uma extremidade a outra é chamado de fluxo de calor. Assim como os portadores de carga se movem, também é uma corrente elétrica.
Num sistema onde ambas as extremidades são mantidas a uma diferença de temperatura constante (um fluxo constante de calor de uma extremidade para a outra), há uma difusão constante de transportadores. Se a taxa de difusão dos portadores quentes e frios em direções opostas for igual, haveria uma variação líquida na carga. Mas, a difusão de carga dispersa "Dispersão (física)") com impurezas, imperfeições e vibrações da rede cristalina (fônons). Se a dispersão depende da energia, os portadores quentes e frios se difundirão em taxas diferentes. Isto cria uma maior densidade de portadores numa extremidade do material, e a distância entre as cargas positivas e negativas produz uma diferença de potencial; uma tensão eletrostática.
Este campo eléctrico, no entanto, opõe-se à dispersão desigual dos portadores, e é alcançado um equilíbrio onde o número líquido de portadores difundidos é cancelado pelo número líquido de portadores que se movem na direcção oposta ao campo electrostático. Isto indica que o coeficiente de Seebeck de um material depende muito de impurezas, imperfeições e mudanças estruturais (que muitas vezes variam entre si com a temperatura e o campo elétrico), e o valor do coeficiente de Seebeck de um material é o conjunto de muitos efeitos diferentes.
No início, os termopares eram metálicos, mas mais recentemente os dispositivos termoelétricos foram desenvolvidos a partir de elementos semicondutores alternados do tipo p e do tipo n conectados por interconectores metálicos, conforme desenhado na figura abaixo. As junções semicondutoras são comuns especialmente em dispositivos de geração de energia, enquanto as junções metálicas são mais comuns em medições de temperatura. A carga flui através do elemento tipo n, atravessa uma interconexão metálica e passa para o elemento tipo p. Se for fornecida uma fonte de energia, o dispositivo termoelétrico pode atuar como um refrigerador, como na figura abaixo à esquerda. Este é o efeito Peltier, descrito na próxima seção. Os elétrons no elemento tipo n se moverão na direção oposta da corrente e os buracos no elemento tipo p se moverão na direção da corrente, ambos removendo calor de um lado do dispositivo. Se for fornecida uma fonte de calor, o dispositivo termoelétrico pode funcionar como gerador de energia, conforme figura abaixo à direita. A fonte de calor conduzirá os elétrons do elemento tipo n em direção à região mais fria, criando assim uma corrente através do circuito. Os furos no elemento tipo p fluirão então na direção da corrente. A corrente pode ser usada para acionar uma carga, convertendo assim energia térmica em energia elétrica.
Arrastar fônon
Os fônons nem sempre estão em equilíbrio térmico local; Eles se movem contra o gradiente térmico. Eles perdem impulso devido à interação com elétrons (ou outros transportadores) e imperfeições no cristal. Se a interação fônon-elétron predominar, os fônons tenderão a empurrar os elétrons para uma extremidade do material, perdendo impulso no processo. Isto contribui para o campo elétrico já presente. Esta contribuição é mais importante na região de temperatura onde predomina o espalhamento fônon-elétron. Isso acontece porque:
onde: é a temperatura de Debye. Em temperaturas mais baixas, há menos fônons disponíveis para arrastar, e em temperaturas mais altas eles tendem a perder impulso em dispersões fônon-fônon, em vez de dispersões fônon-elétrons.
Esta região do coeficiente de Seebeck versus função de temperatura é altamente variável sob um campo magnético.
Efeito Seebeck de spin e baterias magnéticas
Os físicos descobriram recentemente que o aquecimento de um lado de uma barra magnetizada de níquel-ferro permite que os elétrons reorganizem seus spins. Este chamado “efeito Spin Seebeck” pode levar a baterias que geram correntes magnéticas, em vez de corrente elétrica. Uma fonte de corrente magnética poderia ser útil especialmente para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos, que utilizam correntes magnéticas para reduzir o superaquecimento em chips de computador, uma vez que, diferentemente das correntes elétricas, as correntes magnéticas não geram calor.