Effetto Seebeck

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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.

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

L'effetto venne scoperto nel 1787 da Alessandro Volta[1][2] e venne riscoperto nel 1821 da Thomas Johann Seebeck, fisico estone che lo studiò avendo notato la presenza di una differenza di potenziale ai capi di una barra metallica sottoposta a un gradiente di temperatura . 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 a 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):

Seebeck effect circuit 2.svg

la tensione risultante è data da:

dove: SA e SB 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:

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 a 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 a esistere sia nel caso di due elementi metallici di natura diversa sia con un solo tipo di metallo.

Trasporto di carica per diffusione[modifica | modifica wikitesto]

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 a 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 e 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 a un capo del conduttore e la distanza tra cariche di segno opposto produrrà una differenza di potenziale, e 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 da molti fattori, come il numero di impurezze, la presenza di imperfezioni e i mutamenti strutturali (che spesso variano con la temperatura e il campo elettrico).

Trasporto fononico[modifica | modifica wikitesto]

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) e 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

dove θD 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[modifica | modifica wikitesto]

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 50% dell'energia termica in energia elettrica.

Recenti studi (febbraio 2007) svolti presso l'Università della California sono riusciti a 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 a ottenere in un futuro convertitori più economici e performanti.[3]

Sono anche stati realizzati prodotti che riescono a utilizzare la differenza di temperatura tra l'esterno e l'interno di una pentola contenente acqua che bolle sul fuoco, connessa a un particolare dispositivo, per generare sufficiente elettricità che riesce a ricaricare un telefono cellulare[4].

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ L'Accademia internazionale di termoelettricità presieduta da Lukyan Anatychuk ha riconosciuto ufficialmente tale paternità il 14 luglio 2005 a Como, in occasione del convegno "La termoelettricità: da Alessandro Volta alle nanotecnologie", consegnando al sindaco della città lariana una targa celebrativa della scoperta (ora murata nel Tempio Voltiano di Como). Cfr. "È Alessandro Volta lo scopritore della termoelettricità", sul Giornale di Como[collegamento interrotto] del 22 luglio 2005. Più di recente, l'argomento è stato ripreso anche durante l'8th European Conference on Thermoelectrics (Como, 22-23 settembre 2010). Cfr. l'articolo "Termoelettricità: VIII conferenza europea", su Il Cittadino on-line[collegamento interrotto] del 22 settembre 2010, e, per un dettagliato esame delle motivazioni a sostegno dell'attribuzione a Volta della scoperta della termoelettricità, il saggio di Lukyan Anatychuk, John Stockholm e Giorgio Pastorino, "On the discovery of thermoelectricity by A. Volta", in Proceedings of the 8th European Conference on Thermoelectrics, Como, 2010, pp. 15-18 (consultabile anche on line)
  2. ^ Christophe Goupil (a cura di), Continuum theory and modeling of thermoelectric elements, Wiley, 2016, ISBN 978-3-527-41337-9.
  3. ^ Da calore a elettricità
  4. ^ Generatore di elettricità da una pentola con acqua che bolle sul fuoco

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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