Metodo Harman
Misurazione diretta dell’indice di qualità ZT secondo il metodo Harman
Il fattore di merito termoelettrica ZT può essere calcolata dai risultati delle singole misurazioni di conduttività elettrica, il coefficiente di Seebeck e della conduttività termica possono essere calcolati o misurati direttamente. Un metodo comune per la determinazione diretta è il metodo Harman.
Per la misurazione, un campione termoelettrico sotto forma di asta cilindrica o rettangolare viene collegato elettricamente a entrambe le estremità e con due contatti su una delle superfici laterali (vedi figura a) sotto).
a) Configurazione schematica per la misurazione diretta dello ZT dei materiali termoelettrici con il metodo Harman.
b) Curva di misura di una misurazione Harman con caduta di tensione ohmica UR e tensione termica Uth con corrente di misura I applicata.
Per garantire l’accuratezza della misurazione, è fondamentale creare le migliori condizioni adiabatiche possibili, cioè ridurre al minimo lo scambio di calore tra il campione e l’ambiente.
Per questo motivo, la misurazione avviene solitamente sotto vuoto e il campione viene conservato in posizione libera o fissato su una piastra di base termostatata.
Inoltre, di solito si utilizza uno scudo termico per ridurre lo scambio di calore per irraggiamento tra il campione e l’ambiente.
La misurazione viene avviata imprimendo una corrente I0 tra i contatti delle facce terminali, in modo che una giunzione tra il campione e l’elettrodo si riscaldi e l’altra si raffreddi per effetto Peltier. Le condizioni al contorno adiabatiche determinano un gradiente di temperatura lungo il campione, la cui entità dipende dalla corrente impressa e dalle proprietà termoelettriche del campione. Le sonde di tensione sulla superficie laterale del campione vengono utilizzate per misurare sia la componente ohmica della caduta di tensione UR dovuta alla corrente impressa, sia la tensione termica Uth risultante dal gradiente di temperatura (vedi Fig. 1b).
La componente ohmica viene misurata direttamente dopo l’iniezione di corrente, mentre la tensione termica viene determinata nello stato stazionario finale. Lo ZT può essere determinato direttamente dal rapporto tra le due tensioni.
L’accuratezza del metodo di misurazione dipende fortemente dal rispetto delle condizioni di misurazione adiabatiche e dalla resistenza di contatto tra il campione e gli elettrodi di corrente. Questo limita la temperatura massima di esercizio del sistema di misurazione basato sulla tecnologia Harman a una temperatura massima di esercizio compresa tra 200°C e 300°C.
Quali proprietà vengono valutate?
Il metodo Harman può essere utilizzato per la misurazione diretta del fattore di merito termoelettrico ZT. Questa misurazione diretta permette di ridurre al minimo l’errore di ZT in buone condizioni sperimentali rispetto al metodo convenzionale di calcolare ZT da misurazioni individuali effettuate con una LSR-3 e LFA, poiché le barre di errore delle singole misurazioni si accumulano.
La stessa formula mostra anche che la conduttività termica può essere calcolata come proprietà del materiale da una misurazione combinata di Harman e fattore di potenza. Questa può essere una soluzione semplice ed economica per misurare le proprietà di trasporto del calore dei campioni termoelettrici con un dispositivo standard come il Linseis LSR-3.