Effets thermoélectriques Seebeck, Peltier et Thomson

Le fonctionnement des réfrigérateurs et générateurs thermoélectriques est basé sur des phénomènes thermoélectriques. Ceux-ci incluent les effets Seebeck, Peltier et Thomson. Ces effets sont liés à la fois à la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique et à la conversion de l'énergie électrique en énergie froide.

Les propriétés thermoélectriques des fils sont dues aux connexions entre la chaleur et les courants électriques :

• Effet Seebeck — émergence thermo-EMF dans une chaîne de fils inégaux, à différentes températures de ses sections;
• Effet Peltier - absorption ou dégagement de chaleur au contact de deux conducteurs différents lorsqu'un courant électrique continu les traverse;
• Effet Thomson - absorption ou dégagement de chaleur (super-Joule) dans le volume d'un conducteur lors de son passage dans un pôle, courant électrique en présence d'un gradient de température.

Les effets Seebeck, Peltier et Thompson font partie des phénomènes cinétiques. Ils sont liés aux processus de mouvement de charge et d'énergie, ils sont donc souvent appelés phénomènes de transfert.Les flux directionnels de charge et d'énergie dans un cristal sont générés et entretenus par des forces extérieures : champ électrique, gradient de température.

Flux directionnel de particules (en particulier porteurs de charge — électrons et trous) se produit également en présence d'un gradient de concentration de ces particules. Le champ magnétique lui-même ne crée pas de flux dirigés de charge ou d'énergie, mais il affecte les flux créés par d'autres influences externes.

Effet Seebekov

L'effet Seebeck est que si dans un circuit électrique ouvert composé de plusieurs conducteurs différents l'un des contacts maintient la température T1 (jonction chaude) et l'autre la température T2 (jonction froide), alors à condition que T1 ne soit pas égal à T2 aux extrémités apparaît sur le circuit une force thermoélectromotrice E. Lorsque les contacts sont fermés, un courant électrique apparaît dans le circuit.

Effet Seebekov :

En présence d'un gradient de température dans le conducteur, le flux de diffusion thermique des porteurs de charges se fait du bout chaud vers le bout froid. Si le circuit électrique est ouvert, alors les porteurs s'accumulent à l'extrémité froide, la chargeant négativement s'il s'agit d'électrons, et positivement dans le cas d'une conduction par trous. Dans ce cas, la charge ionique non compensée reste à l'extrémité chaude.

Le champ électrique résultant ralentit le mouvement des porteurs vers l'extrémité froide et accélère le mouvement des porteurs vers l'extrémité chaude. La fonction de distribution hors d'équilibre formée par le gradient de température se décale sous l'action du champ électrique et se déforme dans une certaine mesure. La distribution résultante est telle que le courant est nul. L'intensité du champ électrique est proportionnelle au gradient de température qui l'a provoqué.

La valeur du facteur de proportionnalité et son signe dépendent des propriétés du matériau. Il est possible de détecter le champ électrique Seebeck et de mesurer la force thermoélectromotrice uniquement dans un circuit composé de différents matériaux. Les différences de contacts potentiels correspondent à la différence de potentiels chimiques des matériaux qui entrent en contact.

Effet Peltier

L'effet Peltier est que lorsqu'un courant continu traverse un thermocouple constitué de deux conducteurs ou semi-conducteurs, une certaine quantité de chaleur est dégagée ou absorbée au point de contact (selon le sens du courant).

Lorsque les électrons passent d'un matériau de type p à un matériau de type n par un contact électrique, ils doivent surmonter une barrière énergétique et puiser de l'énergie dans le réseau cristallin (jonction froide) pour ce faire. A l'inverse, en passant d'un matériau de type n à un matériau de type p, les électrons cèdent de l'énergie au réseau (jonction chaude).

Effet Peltier :

Effet Thomson

L'effet Thomson est que lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur ou un semi-conducteur dans lequel un gradient de température est créé, en plus de la chaleur Joule, une certaine quantité de chaleur est libérée ou absorbée (selon le sens du courant).

La raison physique de cet effet est liée au fait que l'énergie des électrons libres dépend de la température. Alors les électrons acquièrent une énergie plus élevée dans le composé chaud que dans le froid. La densité d'électrons libres augmente également avec l'augmentation de la température, ce qui entraîne un flux d'électrons de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide.

La charge positive s'accumule à l'extrémité chaude et la charge négative à l'extrémité froide. La redistribution des charges empêche le flux d'électrons et, à une certaine différence de potentiel, l'arrête complètement.

Les phénomènes décrits ci-dessus se produisent de manière similaire dans les substances à conduction par trous, à la seule différence que la charge négative s'accumule à l'extrémité chaude et les trous chargés positivement à l'extrémité froide. Par conséquent, pour les substances à conductivité mixte, l'effet Thomson s'avère négligeable.

Effet Thomson :

L'effet Thomson n'a pas trouvé d'application pratique, mais il peut être utilisé pour déterminer le type de conductivité des impuretés des semi-conducteurs.

Utilisation pratique des effets Seebeck et Peltier

Phénomènes thermoélectriques : effets Seebeck et Peltier - trouvent une application pratique dans les convertisseurs de chaleur en énergie électrique sans machine - générateurs thermoélectriques (TEG), dans les pompes à chaleur — dispositifs de refroidissement, thermostats, climatiseurs, dans les systèmes de mesure et de contrôle tels que les capteurs de température, le flux de chaleur (voir — Convertisseurs thermoélectriques).

Au cœur des dispositifs thermoélectriques se trouvent des éléments-transducteurs semi-conducteurs spéciaux (thermoéléments, modules thermoélectriques), par exemple, tels que TEC1-12706. En savoir plus ici : Élément Peltier - comment ça marche et comment vérifier et connecter