Termoelettricità – Effetto Termoelettrico
La termoelettricità si genera attraverso l’effetto termoelettrico, ovvero la conversione diretta delle differenze di temperatura in tensione elettrica e viceversa, attraverso un termocoppia. Riscaldando due materiali dissimili uniti si causa un trasferimento di elettroni tra i materiali, instaurando un flusso di corrente.
Generatore Termoelettrico (TEG)
Un generatore termoelettrico (TEG), noto anche come generatore di Seebeck, è un dispositivo a stato solido che converte direttamente il flusso di calore (differenze di temperatura) in energia elettrica attraverso un fenomeno chiamato effetto Seebeck.
Effetto Seebeck
L’effetto Seebeck si manifesta quando una differenza di temperatura tra due conduttori o semiconduttori elettrici dissimili produce una differenza di tensione tra le due sostanze. Se esiste un gradiente di temperatura in una giunzione di due conduttori dissimili connessi elettricamente in serie e termicamente in parallelo, si produce una tensione. Questo calo di potenziale è il risultato dell’effetto termoelettrico scoperto da Thomas Seebeck nel 1821. La tensione generata dipende dal coefficiente di Seebeck S (S = V/ΔT) e dalla differenza di temperatura tra le due giunzioni nel termocoppia.
Effetto Peltier
L’effetto Peltier, scoperto nel 1834 dal fisico francese Jean Charles Athanase Peltier, è l’analogico dell’effetto Seebeck. Si manifesta come riscaldamento o raffreddamento in una giunzione elettrificata di due conduttori diversi. Il coefficiente Peltier (π) si determina dal rapporto della corrente (I) al tasso di riscaldamento (q): π = I/q. Rappresenta quanto calore è trasportato per unità di carica. Il seg
no di π è determinato da quale giunzione è riscaldata e quale è raffreddata. Le pompe di calore Peltier coinvolgono molteplici giunzioni in serie, attraverso le quali scorre una corrente. Alcune giunzioni perdono calore a causa dell’effetto Peltier, mentre altre ne guadagnano. Questo fenomeno è sfruttato sia nelle pompe di calore termoelettriche sia nei dispositivi di raffreddamento termoelettrici come quelli trovati nei frigoriferi.
Effetto Thomson
L’effetto Thomson descrive la corrente elettrica 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 il tasso di riscaldamento, I è una corrente elettrica, ΔT è il cambiamento di temperatura, e β è il coefficiente Thomson. Lord Kelvin ha legato insieme tutti e tre i coefficienti termoelettrici nelle relazioni di Kelvin.
Mecanismo dell’Effetto Termoelettrico
Ad esempio, quando due metalli dissimili come rame e zinco sono uniti insieme, può avvenire un trasferimento di elettroni. Gli elettroni lasceranno gli atomi di rame ed entreranno negli atomi di zinco. Lo zinco ottiene un surplus di elettroni e diventa negativamente carico. Il rame perde elettroni e assume una carica positiva. Questo crea un potenziale di tensione attraverso la giunzione dei due metalli. L’energia termica di una normale temperatura ambiente è sufficiente a farli rilasciare e guadagnare elettroni, causando un potenziale di tensione misurabile.
Applicazioni dell’Effetto Termoelettrico
Il generatore termoelettrico (TEG) è un dispositivo a stato solido che converte direttamente il flusso di calore in energia elettrica attraverso l’effetto Seebeck. Il raffreddamento termoelettrico utilizza l’effetto Peltier per creare un flusso di calore alla giunzione di due materiali diversi. I termocoppie sono dispositivi elettrici che producono una tensione dipendente dalla temperatura come risultato dell’effetto termoelettrico, e questa tensione può essere interpretata per misurare la temperatura.
Materiali Termoelettrici
I materiali termoelettrici convertono l’energia termica in energia elettrica attraverso la conversione termoelettrica. Questi materiali devono avere sia un’alta conduttività elettrica (
σ) sia una bassa conduttività termica (κ) per essere efficaci. Avere una bassa conduttività termica garantisce che, quando un lato è riscaldato, l’altro rimanga freddo, contribuendo a generare una grande tensione in un gradiente di temperatura. I tre materiali comunemente usati per i generatori termoelettrici sono tellururo di bismuto (Bi2Te3), tellururo di piombo (PbTe) e silicio germanio (SiGe). La scelta del materiale dipende dalle caratteristiche della fonte di calore, dal pozzo freddo e dalla progettazione del generatore termoelettrico.
Generatore Termoelettrico – Generatore di Seebeck
Un generatore termoelettrico (TEG), noto anche come generatore di Seebeck, è un dispositivo a stato solido che converte il flusso di calore direttamente in energia elettrica attraverso l’effetto Seebeck. I materiali termoelettrici sono utilizzati per la generazione di energia in luoghi remoti, su veicoli spaziali utilizzati per l’esplorazione interplanetaria e nei luoghi in cui è possibile recuperare il calore di scarto. La generazione di energia termoelettrica giocherà anche un ruolo nel fornire fonti energetiche necessarie per le nazioni in via di sviluppo in aree remote. Una semplice stufa a legna o un fuoco aperto potrebbero diventare stazioni di ricarica per cellulari o addirittura fornire illuminazione a LED in piccoli villaggi. Tra gli usi recenti figurano ventole per stufe, illuminazione alimentata dal calore corporeo e uno smartwatch alimentato dal calore corporeo. Sebbene i dispositivi termoelettrici tradizionali offrano buona affidabilità, durata e scarsa degradazione delle prestazioni nel tempo, il loro uso più esteso è stato limitato dall’efficienza molto bassa del sistema e dal costo specifico per potenza ($/W) dei dispositivi esistenti.
Conclusione
In conclusione, l’effetto termoelettrico rappresenta un campo intrigante e in continua evoluzione della scienza e dell’ingegneria dei materiali. Con l’avanzamento della nanotecnologia e la scoperta di nuovi materiali, le applicazioni della termoelettricità potrebbero espandersi significativamente, portando a soluzioni innovative per il recupero energetico e le tecnologie sostenibili.
