Effetto Seebeck e Coefficiente Seebeck
L’effetto Seebeck è un fenomeno in cui una differenza di temperatura tra due conduttori elettrici o semiconduttori dissimili produce una differenza di tensione tra le due sostanze. Questo principio è alla base dei generatori termoelettrici (TEG), noti anche come generatori Seebeck, dispositivi a stato solido che convertono direttamente il flusso di calore (differenze di temperatura) in energia elettrica attraverso un fenomeno chiamato effetto Seebeck.
Generatori Termoelettrici e Effetto Seebeck
I generatori termoelettrici sfruttano l’effetto termoelettrico, ovvero la conversione diretta delle differenze di temperatura in tensione elettrica e viceversa tramite un termocoppia. Riscaldando due materiali dissimili uniti, si provoca un trasferimento di elettroni tra i materiali, generando un flusso di corrente. L’effetto termoelettrico include tre effetti distinti: l’effetto Seebeck, l’effetto Peltier e l’effetto Thomson.
Effetto Seebeck
L’effetto Seebeck, scoperto da Thomas Seebeck nel 1821, si verifica quando una differenza di temperatura in una giunzione di due conduttori dissimili collegati elettricamente in serie e termicamente in parallelo produce una tensione. La tensione generata dipende dal coefficiente Seebeck S (S = V/ΔT) e dalla differenza di temperatura tra le due giunzioni nel termocoppia.
Effetto Peltier
L’effetto Peltier, scoperto da Jean Charles Athanase Peltier nel 1834, è l’analogia dell’effetto See
beck. Si verifica quando una sorgente elettromotrice alimenta una corrente, riscaldando una giunzione e raffreddando l’altra. Il coefficiente Peltier (π) è determinato dal rapporto tra la corrente (I) e la velocità di riscaldamento (q): π = I/q. Esso rappresenta la quantità di calore trasportata per unità di carica.
Effetto Thomson
L’effetto Thomson descrive la corrente elettrica che si sviluppa in un singolo conduttore quando si applica 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. Lord Kelvin ha collegato tutti e tre i coefficienti termoelettrici nelle relazioni di Kelvin, descrivendo come i coefficienti Seebeck, Peltier e Thomson si interrelazionano.
Materiali Termoelettrici
I materiali termoelettrici, che convertire l’energia termica in energia elettrica, devono avere sia alta conduttività elettrica (σ) che bassa conduttività termica (κ). Questo assicura che, mentre un lato si riscalda, l’altro rimane freddo, generando una grande tensione in un gradiente di temperatura. I tre materiali comunemente usati per i generatori termoelettrici sono il tellururo di bismuto (Bi2Te3), il tellururo di piombo (PbTe) e il germanio di silicio (SiGe).
Applicazioni dei Generatori Termoelettrici
I generatori termoelettrici sono utilizzati per la generazione di energia in luoghi remoti, su spacecraft per l’esplorazione interplanetaria e in luoghi dove il calore di scarto può essere recuperato. Possono essere impiegati per caricare telefoni cellulari o fornire illuminazione a LED in piccoli villaggi. Recentemente, sono stati usati anche in ventole per stufe, illuminazione alimentata dal calore corporeo e smartwatch alimentati dal calore corporeo.
Sfide e Prospettive Future
Nonostante l’aff
idabilità e la durabilità dei dispositivi termoelettrici tradizionali, il loro uso diffuso è limitato dall’efficienza del sistema relativamente bassa e dal costo specifico per potenza ($/W). Ad esempio, con i materiali termoelettrici attualmente disponibili, l’efficienza è limitata a circa un sesto dell’efficienza massima possibile secondo il ciclo di Carnot. Tuttavia, l’uso della nanotecnologia per ridurre la conducibilità termica dei semiconduttori senza influenzare le loro proprietà elettriche offre nuove prospettive per migliorare l’efficienza dei materiali termoelettrici.
Conclusione
L’effetto Seebeck e i generatori termoelettrici rappresentano una frontiera promettente nell’ambito della conversione di energia, con potenziali applicazioni che vanno dalla generazione di energia in aree remote al recupero di calore di scarto. Nonostante alcune sfide, l’evoluzione continua dei materiali e delle tecnologie offre speranza per un uso più efficace ed efficiente di queste tecnologie nel prossimo futuro.
