Coeficiente de Seebeck

O efeito Seebeck é utilizado principalmente para medir temperaturas com termopares e está a tornar-se cada vez mais importante na conversão de calor residual em energia eléctrica através de geradores termoeléctricos. Os processos são reversíveis. O processo inverso, no qual as diferenças de tensão geram diferenças de temperatura, é o efeito Peltier, que é utilizado para arrefecimento em microeletrónica e nanotecnologia.

Uma medida fundamental para avaliar a eficiência dos materiais termoeléctricos é o valor de mérito ZT, um indicador sem dimensão que descreve o desempenho de um material. O valor ZT aumenta com o quadrado do coeficiente de Seebeck, a temperatura média absoluta de funcionamento e a condutividade eléctrica, enquanto diminui com a condutividade térmica específica. Estas variáveis são dependentes da temperatura e as propriedades do material devem ser incluídas no cálculo da figura de mérito em função da temperatura. A equação de definição é

Para determinar o valor ZT de condutores eléctricos e semicondutores, são utilizados instrumentos de medição precisos, como os oferecidos pela Linseis, para medir as propriedades necessárias do material. Se a diferença de temperatura for pequena e os coeficientes de Seebeck puderem ser considerados constantes, a fórmula da tensão é simplificada:

_SA e_SB representam os coeficientes Seebeck dos dois materiais, enquanto _T1 e _T2 representam as temperaturas nos dois pontos de contacto. A tensão é criada por difusão térmica, em que os electrões de alta energia se difundem no ponto de contacto quente na direção do condutor mais frio. Isto leva a um transporte constante de electrões do condutor positivo para o negativo, pelo que é transferida energia térmica para além da energia eléctrica. No entanto, esta transferência de calor reduz a eficiência do efeito Seebeck.

Quanto maior for a condutividade eléctrica e quanto menor for a condutividade térmica do material utilizado, maior será a eficiência de um termopar. Um critério decisivo para as propriedades de um condutor termoelétrico é a chamada “figura de mérito” (ZT) . Este valor já tem em conta todas as variáveis relevantes, como a temperatura, o coeficiente de Seebeck, a condutividade térmica e a condutividade eléctrica.

Na aplicação técnica dos termopares, dois mecanismos funcionam em conjunto para gerar uma tensão mensurável. Em primeiro lugar, um gradiente de temperatura faz com que os portadores de carga se difundam da extremidade quente para a extremidade fria do condutor, o que leva a uma tensão na gama dos milivolts e depende do coeficiente de Seebeck. Em segundo lugar, a utilização de um segundo condutor feito de um material diferente cria um gradiente de tensão adicional no ponto de contacto, uma vez que os dois materiais diferem nos seus coeficientes de Seebeck.