Effetto Seebeck vs Effetto Peltier : Teoria ed applicazioni

Si può ottenere calore tramite l’impiego della sola corrente? Oppure è possibile ricavare energia elettrica tramite la cessione di calore? La risposta ad entrambe le domande è si.

La spiegazione risiede nella forte interrelazione tra conduzione elettrica e conduzione termica, all’interno di solidi particolari(conduttori o semiconduttori). Il legame tra i due tipi di conduzione permette a un gradiente di potenziale elettrico ,di determinare un flusso termico, e al contrario, a gradiente di temperatura di dar luogo ad una corrente elettrica.

In questo articolo analizzeremo due effetti termoelettrici importanti, l’effetto Seebeck e l’effetto Peltier, i quali trovano applicazione in campo tecnico, per la misura della temperatura tramite termocoppie, e per funzionamento di dispositivi frigoriferi.

Per affrontare la trattazione di questi fenomeni in maniera leggermente più rigorosa rispetto al solito, bisogna partire dalla deduzione dell’equazione di bilancio locale dell’entropia per un solido, e applicarla alle equazioni fenomenologiche più significative che descrivono l’accoppiamento termoelettrico.

Quindi per un solido a densità costante possiamo definire la produzione di entropia per unità di tempo come:

dove Q^* è la potenza generata per fenomeni determinati da lavoro dissipato, come ad esempio l’effetto Joule.

A questo punto , affrontando una trattazione più generale degli effetti termoelettrici, e partendo dall’equazione scritta in precedenza. Se consideriamo un solido presente in campo elettrico E e densità di corrente elettrica J, possiamo definire Q^* come prodotto di E per J. Inoltre il campo elettrico stesso può essere definito come gradiente di potenziale elettrico Φ , ottenendo :

Effetto Seebeck

Abbiamo quindi determinato una relazione che contiene le grandezze fisiche responsabili dell’accoppiamento termoelettrico; per cui passando alla parte centrale della nostra analisi, l’effetto Seebeck si determina quando nel solido in esame ho densità di corrente elettrica nulla. Ciò implica che entro il solido, il campo elettrico è direttamente proporzionale all’opposto del  gradiente di temperatura; ecco spiegato il nostro fenomeno. Per cui in un circuito costituito da conduttori metallici, una differenza di temperatura genera elettricità.

Una delle applicazioni più diffuse è nelle termocoppie:

Sostanzialmente si tratta di sensori formati da una coppia di conduttori di diverso materiale uniti in un punto, nel quale è applicata la temperatura da misurare (giunto caldo), mentre le estremità dei conduttori sono lasciate libere (giunto freddo). Questi sensori sono molto diffusi , soprattutto in ambito industriale, perché economici ed efficaci. Vengono posti ad esempio in guaine protettive all’interno di impianti di cui si vuole determinare la temperatura. Quando si ottiene differenza di questa grandezza tra i due giunti, si verifica una differenza di potenziale elettrico tra le estremità libere, riconducibile al delta T, misurabile.

Effetto Peltier:

L’effetto Peltier invece si realizza quando il solido ha temperatura uniforme, e quindi gradiente di temperatura nullo; come conseguenza, dall’equazione di sopra otteniamo che il flusso termico è direttamente proporzionale alla densità di corrente elettrica. Quindi , ponendo a contatto due conduttori diversi in cui scorre corrente elettrica, è possibile produrre trasferimento di calore, cioè l’opposto dell’effetto Seebeck.

Questo fenomeno è simile all’effetto Joule , ma differisce da questo per il fatto che, in base alla direzione della corrente, il dispositivo bi-conduttore può assorbire o cedere calore, fungendo da pompa di calore (cella di Peltier). Tali dispositivi vengono usati, se di notevoli dimensioni, come celle refrigeranti. Oppure se di piccole dimensioni, nel campo dell’elettronica per la gestione termica di sistemi elettronici, costituiti da circuiti che integrano milioni di transistor.

Il vantaggio di questi ‘moduli’ risiede nel fatto di non essere soggetti a fenomeni di usura, come nel caso di ventole per raffreddamento ad aria forzata, oltre che alla compattezza e all’elevata affidabilità.

Articolo a cura di Elvezio Liberatore.