Coefficiente di Seebeck

L’effetto Seebeck viene utilizzato principalmente per misurare le temperature con le termocoppie e sta diventando sempre più importante nella conversione del calore residuo in energia elettrica attraverso i generatori termoelettrici. I processi sono reversibili. Il processo inverso, in cui le differenze di tensione generano differenze di temperatura, è l’effetto Peltier, utilizzato per il raffreddamento nella microelettronica e nelle nanotecnologie.

Una misura fondamentale per valutare l’efficienza dei materiali termoelettrici è il fattore di merito ZT, un indicatore adimensionale che descrive le prestazioni di un materiale. Il valore ZT aumenta con il quadrato del coefficiente di Seebeck, la temperatura operativa assoluta media e la conduttività elettrica, mentre diminuisce con la conduttività termica specifica. Queste variabili dipendono dalla temperatura e le proprietà del materiale devono essere incluse nel calcolo della cifra di merito in funzione della temperatura. L’equazione di definizione è

Per determinare il valore ZT di conduttori elettrici e semiconduttori, si utilizzano strumenti di misura precisi, come quelli offerti da Linseis, per misurare le proprietà del materiale richieste. Se la differenza di temperatura è piccola e i coefficienti di Seebeck possono essere considerati costanti, la formula della tensione è semplificata:

_SA e_SB rappresentano i coefficienti di Seebeck dei due materiali, mentre _T1 e _T2 rappresentano le temperature dei due punti di contatto. La tensione viene creata dalla diffusione termica, in cui gli elettroni ad alta energia si diffondono nel punto di contatto caldo in direzione del conduttore più freddo. Questo comporta un trasporto costante di elettroni dal conduttore positivo a quello negativo, con un trasferimento di energia termica oltre che di energia elettrica. Tuttavia, questo trasferimento di calore riduce l’efficienza dell’effetto Seebeck.

Maggiore è la conduttività elettrica e minore è la conduttività termica del materiale utilizzato, maggiore è l’efficienza di una termocoppia. Un criterio decisivo per le proprietà di un conduttore termoelettrico è il cosiddetto
“fattore di merito” (ZT). Questo valore tiene già in considerazione tutte le variabili rilevanti come la temperatura, il coefficiente di Seebeck, la conduttività termica e la conduttività elettrica.

Nell’applicazione tecnica delle termocoppie, due meccanismi lavorano insieme per generare una tensione misurabile. In primo luogo, un gradiente di temperatura fa sì che i portatori di carica si diffondano dall’estremità calda a quella fredda del conduttore, il che porta a una tensione nell’ordine dei millivolt e dipende dal coefficiente di Seebeck. In secondo luogo, l’utilizzo di un secondo conduttore di materiale diverso crea un ulteriore gradiente di tensione nel punto di contatto, poiché i due materiali differiscono per il loro coefficiente di Seebeck.