Efeito Seebeck e Coeficiente Seebeck
O Efeito Seebeck é um fenômeno no qual uma diferença de temperatura entre dois condutores elétricos ou semicondutores dissimilares produz uma diferença de tensão entre as duas substâncias. Esse efeito é a base de um dispositivo conhecido como gerador termoelétrico (GTE), também chamado de gerador Seebeck, que converte o fluxo de calor (diferenças de temperatura) diretamente em energia elétrica.
Entendendo o Efeito Seebeck
Ao aquecer dois materiais dissimilares unidos, ocorre uma transferência de elétrons entre os materiais, estabelecendo um fluxo de corrente. O coeficiente Seebeck S (S = V/ΔT) descreve a relação entre a diferença de tensão gerada e a diferença de temperatura entre as duas junções em um termopar.
Efeito Peltier e Efeito Thomson
O Efeito Peltier, descoberto por Jean Charles Athanase Peltier em 1834, é análogo ao Efeito Seebeck. Ele se refere à presença de aquecimento ou resfriamento em uma junção eletrificada de dois condutores diferentes. O coeficiente Peltier (π) é determinado pela razão da corrente (I) pela taxa de aquecimento (q): π = I/q.
O Efeito Thomson descreve a corrente elétrica que se desenvolve em um único condutor quando um pequeno gradiente de temperatura é aplicado. A relação é descrita pela equação q = βIΔT, onde β é o coeficiente Thomson.
Relações de Kelvin e Coeficientes Termoelétricos
Lord Kelvin uniu os três coeficientes termoelétricos nas Relações de Kelvin. Essas equações descrevem como os coeficientes Seebeck, Peltier e Thomson se inter-relacionam. A segunda relação de Thomson, por exemplo, conecta os coeficientes Peltier e Seebeck: Π = TS, onde Π é o coeficiente Peltier, T a temperatura absoluta, e S o coeficiente Seebeck.
Mecanismos do Efeito Termoelétrico
Quando dois metais distintos, como cobre e zinco, são unidos, pode ocorrer uma transferência de elétrons. Os elétrons deixam os átomos de cobre e entram nos átomos de zinco, criando um potencial de tensão na junção dos dois metais. À medida que mais energia térmica é aplicada à junção, mais elétrons são liberados, aumentando o potencial de tensão.
Materiais Termoelétricos
Materiais termoelétricos, como bismuto telureto, telureto de chumbo e silício-germânio, são conhecidos por sua baixa condutividade térmica e alta fator de potência, sendo utilizados em geradores termoelétricos. A nanotecnologia tem sido empregada para reduzir a condutividade térmica dos semicondutores sem afetar suas propriedades elétricas.
Gerador Termoelétrico – Gerador Seebeck
O GTE, ou gerador Seebeck, é um dispositivo de estado sólido que converte diferenças de temperatura diretamente em energia elétrica através do Efeito Seebeck. Ele é utilizado para geração de energia em locais remotos, em espaçonaves para exploração interplanetária e em locais onde o calor residual pode ser recuperado. Uma simples estufa a lenha ou fogueira aberta pode se tornar uma estação de carregamento de celulares ou até mesmo fornecer iluminação LED em pequenas aldeias.
Enquanto os dispositivos termoelétricos tradicionais oferecem boa confiabilidade e durabilidade, seu uso mais amplo é limitado pela baixa eficiência do sistema e pelo custo específico de energia ($/W) dos dispositivos existentes. Estima-se que, com os materiais termoelétricos atuais, a eficiência é limitada a talvez 1/6 da eficiência máxima possível do ciclo de Carnot.
