Effetto Seebeck

L'effetto Seebeck è un effetto termoelettrico per cui, in un circuito costituito da conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura genera elettricità. È l'opposto dell'effetto Peltier.

L'effetto fu scoperto accidentalmente dal fisico estone Thomas Johann Seebeck nel 1826, il quale notò la presenza di una differenza di potenziale ai capi di una barra metallica sottoposta ad un gradiente di temperatura $\Delta T$. Egli osservò inoltre che l'ago di una bussola subiva una deflessione in prossimità di un anello costituito da due metalli differenti con le due zone di giunzione poste a differenti temperature. Ciò è dovuto al fatto che i due metalli generano potenziali elettrici differenti nelle due regioni a differente temperatura dando origine ad un flusso di corrente, il quale produce il campo magnetico che influenza la bussola.

Il valore della differenza di potenziale generata per effetto Seebeck è dell'ordine di alcuni μV per kelvin di differenza.

Nel circuito seguente (la configurazione circuitale può variare, ma la formulazione matematica rimane la stessa):

la tensione risultante è data da:

$V = \int_{T_1}^{T_2} \left( S_B(T) - S_A(T) \right) \, dT$

dove: S_A e S_B sono i coefficienti di Seebeck (o potere termoelettrico) relativi ai due metalli A e B, T₁ e T₂ sono le temperature delle due giunzioni.

I coefficienti di Seebeck sono non lineari e dipendono dai materiali, dalla loro temperatura assoluta e dalla loro struttura molecolare. Qualora i coefficienti si possano ritenere costanti nell'intervallo di temperatura considerato, la formula precedente può essere così approssimata:

$V = (S_B - S_A) \cdot (T_2 - T_1)$

Ne consegue che l'effetto Seebeck può essere sfruttato per misurare differenze di temperatura come differenze di potenziale generata in un circuito costituito da fili di materiale diverso: il dispositivo risultante prende il nome di termocoppia. Per ottenere la misurazione di una temperatura assoluta si pone una delle due giunzioni ad una temperatura nota. Inoltre differenti termocoppie possono essere collegate in serie a formare una cosiddetta termopila.

L'effetto è sfruttato nei generatori termoelettrici per produrre energia elettrica sfruttando una differenza di temperatura, per esempio nel generatore termoelettrico a radioisotopi.

L'effetto Seebeck è dovuto a due effetti: trasporto di carica per diffusione e resistenza al moto fononico.

L'effetto Seebeck continua ad esistere sia nel caso di due elementi metallici di natura diversa sia con un solo tipo di metallo.

Trasporto di carica per diffusione

I portatori di carica nei materiali (elettroni nei metalli, elettroni e lacune nei semiconduttori, ioni in conduttori ionici) diffonderanno quando un terminale del conduttore è ad una temperatura diversa dall'altro. I portatori a temperatura più elevata diffonderanno verso quelli a temperatura più bassa, fintanto che si ha una densità di portatori ad alta temperatura diversa, nella parte a temperatura più bassa ed in quella a temperatura più alta del conduttore. I portatori di carica nella zona a bassa temperatura diffondono dalla zona più fredda a quella più calda per la stessa ragione.

Se l'equilibrio è raggiunto il processo farà sì che il calore sia uniformemente distribuito attraverso il conduttore (vedi trasferimento di calore). Il movimento di calore attraverso portatori di carica a temperatura più alta (ossia a più alta energia) da un capo all'altro del conduttore è nota come corrente di calore. Fintanto che i portatori di carica si muovono si avrà anche una corrente elettrica.

In un sistema dove i terminali hanno una differenza di temperatura costante(una corrente costante fluisce dall'uno all'altro), si ha diffusione costante di portatori. Se la velocità di diffusione di portatori ad alta e bassa temperatura fosse la stessa, non ci sarebbe differenza di carica netta. Tuttavia i portatori sono "diffusi" (in inglese scattered) da impurezze presenti nel reticolo, imperfezioni e vibrazioni reticolari (noti come fononi). Se lo scattering dipende dall'energia del portatore, i portatori ad alta e bassa temperatura diffonderanno a velocità diverse (hanno infatti diverse energie, avendo diversa temperatura). Questo crea una densità di portatori più elevata ad un capo del conduttore e la distanza tra cariche di segno opposto produrrà una differenza di potenziale, ed un campo elettrico.

Questo campo elettrico, comunque, si oppone allo scattering (dipendente dall'energia del portatore, quindi diseguale) e l'equilibrio è raggiunto quando l'effetto del numero di portatori che diffondono in una direzione è cancellato dal numero di portatori (dello stesso segno) che si muovono in direzione opposta a causa del campo elettrico generatosi. Questo vuol dire che la termopotenza di un materiale dipende molto dal numero di impurezze, imperfezioni, mutamenti strutturali (che spesso variano con la temperatura ed il campo elettrico), e la termopotenza del materiale dipende quindi da numerosi effetti.

Trasporto fononico

I fononi non si trovano sempre in equilibrio termico locale; si muovono seguendo il gradiente termico. Perdono energia interagendo con gli elettroni (o altri portatori) ed imperfezioni reticolari. Se l'interazione fonone-elettrone è predominante, i fononi tendono a spingere gli elettroni verso una parte del materiale, perdendo energia nel processo. Questo contribuisce al campo elettrico già presente. Questo contributo è maggiormente importante nella regione di temperature dove lo scattering fonone-elettrone è predominante. Questo è valido per

$T \approx {1 \over 5} \theta_D$

dove θ_D è la temperatura di Debye. Alle temperature più basse pochi fononi sono disponibili per il trasporto, ma ad alte temperature tendono a perdere energia in urti fonone-fonone piuttosto che in urti fonone-elettrone.

Questa regione della termocoppia in funzione della temperatura è altamente variabile sotto un campo magnetico.

Applicazioni

Come si è già accennato l'effetto viene utilizzato dai generatori termoelettrici. Questi generatori hanno un'efficienza abbastanza bassa, convertono circa il 7% della potenza termica in potenza elettrica. Per confronto un motore a turbina è in grado di convertire circa il 20% dell'energia termica in energia elettrica.

Recenti studi (febbraio 2007) svolti presso l'Università della California sono riusciti ad ottenere l'effetto seebeck tramite l'utilizzo di molecole organiche invece delle classiche leghe metalliche. I ricercatori hanno intrappolato delle molecole organiche di benzeneditiolo, dibenzeneditiolo tribenzeneditiolo tra due elettrodi ricoperti d'oro e una volta riscaldato l'elettrodo hanno misurato lo scorrere di una debole corrente. Questo studio mira ad ottenere in un futuro convertitori più economici e performanti.

Voci correlate

• Termometria
• Termocoppia

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