Effetto Peltier e Raffreddamento Peltier
L’effetto Peltier è l’analogico dell’effetto Seebeck. Scoperto nel 1834 dal fisico francese Jean Charles Athanase Peltier, l’effetto Peltier consiste nella presenza di riscaldamento o raffreddamento in una giunzione elettrificata di due conduttori differenti. Invece di generare una differenza di potenziale tra i punti C e D mantenendo le giunzioni J1 e J2 a temperature diverse, l’effetto Peltier utilizza una fonte elettromotrice per guidare una corrente, riscaldando una giunzione e raffreddando l’altra.
Coefficiente Peltier
L’effetto può essere descritto quantitativamente dal coefficiente di Peltier (π), determinato dal rapporto tra la corrente (I) e la velocità di riscaldamento (q): π = I/q. Questo rappresenta quanto calore viene trasportato per unità di carica. Il segno di π è determinato dalla giunzione che viene riscaldata o raffreddata.
Pompe di Calore Peltier
Una tipica pompa di calore Peltier coinvolge molteplici giunzioni in serie, attraverso le quali viene guidata una corrente. Alcune giunzioni perdono calore a causa dell’effetto Peltier, mentre altre ne guadagnano. Questo fenomeno viene sfruttato nelle pompe di calore termoelettriche e nei dispositivi di raffreddamento termoelettrico come quelli presenti nei frigoriferi.
Effetto Thomson
In materiali diversi, il coefficiente di Seebeck non è costante rispetto alla temperatura, quindi un gradiente spaziale di temperatura può risultare in un gradiente del coefficiente di Seebeck. Se una corrente è guidata attraverso questo gradiente, si verifica una versione continua dell’effetto Peltier. L’effetto Thomson descrive la corrente elettrica risultante che si sviluppa in un singolo conduttore quando viene applicato un piccolo gradiente di temperatura. Questa relazione è descritta dall’equazione; q = βIΔT, dove q è la velocità di riscaldamento, I è una corrente elettrica, ΔT è il cambiamento di temperatura, e β è il coefficiente Thomson.
Relazioni di Kelvin
Lord Kelvin ha legato tutti e tre i coefficienti termoelettrici insieme nelle relazioni di Kelvin. Queste equazioni descrivono come i coefficienti di Seebeck, Peltier e Thomson si interrelazionano. L’effetto Peltier può essere considerato come la controparte di retroazione dell’effetto Seebeck: se un semplice circuito termoelettrico è chius
o, l’effetto Seebeck guiderà una corrente, che a sua volta (per effetto Peltier) trasferirà sempre calore dalla giunzione calda a quella fredda. La stretta relazione tra gli effetti Peltier e Seebeck può essere osservata nella connessione diretta tra i loro coefficienti: la seconda relazione di Thomson: Π = TS, dove Π è il coefficiente Peltier, T è la temperatura assoluta e S è il coefficiente di Seebeck.
Materiali Termoelettrici
I materiali termoelettrici convertono l’energia termica in energia elettrica attraverso un processo noto come conversione termoelettrica. La fonte di calore che dà origine alla differenza di temperatura può essere motori a combustione, luce solare, reazioni chimiche o decadimento nucleare. Questi materiali devono avere sia un’alta conducibilità elettrica (σ) che una bassa conducibilità termica (κ) per essere considerati buoni materiali termoelettrici. Avere una bassa conducibilità termica assicura che, quando un lato è riscaldato, l’altro rimanga freddo, aiutando così a generare una grande tensione in un gradiente di temperatura.
Materiali Semiconduttori per Generatori Termoelettrici
Tre materiali sono comunemente utilizzati per i generatori termoelettrici. Per molti anni, i tre semiconduttori noti per avere sia una bassa conducibilità termica che un alto fattore di potenza sono il tellururo di bismuto (Bi2Te3), il tellururo di piombo (PbTe) e il germanio di silicio (SiGe). La scelta del materiale dipende dalle caratteristiche della fonte di calore, del dissipatore di freddo e del design del generatore termoelettrico. Oggi, la conducibilità termica dei semiconduttori può essere ridotta senza influenzare le loro alte proprietà elettriche utilizzando la nanotecnologia. Questo può essere ottenuto creando caratteristiche nanometriche come particelle, fili o interfacce in materiali semiconduttori massicci.
Conclusione
L’effetto Peltier e il suo utilizzo nei dispositivi di raffreddamento e nei generatori termoelettrici sono un esempio straordinario di come i principi fisici possono essere applicati per sviluppare tecnologie innovative. La continua ricerca e sviluppo in questo campo promettono di portare a nuove scoperte e applicazioni, migliorando ulteriormente l’efficienza e la sostenibilità delle nostre tecnologie energetiche.
