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Misurare Seebeck in modo accurato – importanza nella scienza e nella tecnologia

L’effetto Seebeck consente la conversione diretta del calore in energia elettrica. Per sfruttare questo effetto in modo economico, sono necessari materiali in cui una determinata differenza di temperatura genera la massima tensione elettrica possibile. I ricercatori lavorano intensamente allo sviluppo di questi materiali da diversi anni. L’alta affidabilità e la ripetibilità dei risultati delle misurazioni su questi materiali sono essenziali. Valori di misura affidabili sono anche la base per la comprensione dei processi termodinamici.

L’efficienza della conversione energetica viene valutata sulla base della cosiddetta cifra di merito termoelettrica (ZT). Il coefficiente di Seebeck (S in [V/K]), la conduttività elettrica (Sigma in [S/m]), la temperatura assoluta media (T in [K]) e la conduttività termica (Lambda in [W/(m*K)]) sono inclusi nel calcolo di questa cifra di merito adimensionale.

I valori prodotti da un metodo di misurazione sono sempre soggetti a un certo grado di incertezza. Il calcolo dello ZT richiede la misurazione dei tre parametri termoelettrici citati. Le incertezze di misurazione dei singoli metodi si moltiplicano e portano a un risultato che può discostarsi notevolmente dal valore reale.

Con l’LZT-Meter o l’LSR-3/4 (LSR L31), Linseis offre una piattaforma di dispositivi che registra le singole variabili simultaneamente. Il software integrato corregge le influenze falsificanti e fornisce direttamente il valore ZT oltre ai valori dei singoli materiali. Poiché il coefficiente di Seebeck è incluso nel calcolo del quadrato, Linseis attribuisce particolare importanza all’accuratezza di questa misurazione.

Fonti di errore nella misurazione del coefficiente di Seebeck

Per misurare il coefficiente di Seebeck, si utilizzano due termocoppie per determinare la differenza di temperatura tra due punti di contatto di un campione riscaldato su un lato. La differenza di tensione viene misurata tra due fili delle termocoppie con la stessa polarità. I valori misurati risultano in una curva tensione-temperatura. Il coefficiente di Seebeck è la pendenza di questa curva.

Il fatto che i fili delle termocoppie abbiano un proprio coefficiente di Seebeck deve essere preso in considerazione come influenza di interferenza per la misurazione. Inoltre, a una differenza di temperatura di 0 K, spesso si verifica una differenza di tensione diversa da zero, che deve essere presa in considerazione come tensione di offset specifica del dispositivo. Queste influenze fisiche complicano la procedura di misurazione.

Poiché questi fattori di influenza sono stati presi in considerazione con attenzione durante lo sviluppo della piattaforma Linseis LSR, i dispositivi di misura forniscono valori con un alto livello di ripetibilità e precisione.

Ulteriori imprecisioni nella misurazione del coefficiente di Seebeck derivano da

elevate deviazioni di linearità della curva temperatura-tensione,
mancanza di manutenzione delle termocoppie utilizzate
e
scarso contatto (elettrico) tra le termocoppie e il campione

Le elevate deviazioni di linearità della curva temperatura-tensione possono essere evitate selezionando la differenza di temperatura ottimale.

Le termocoppie devono essere calibrate regolarmente. Le termocoppie devono essere sostituite in caso di contaminazione, danni dovuti a reazioni chimiche con il campione e forte usura.
La pressione di contatto tra la termocoppia e il campione deve essere sufficientemente alta, ma non deve portare alla deformazione del campione.

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