Efeito Seebeck no SDCTI GRACELI -CADEAS DE INTERAÇÕES E DIMENS. FENOM.

O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica).

É o reverso do efeito Peltier que é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma diferença de potencial (tensão elétrica) em um circuito fechado (consequentemente, percorrido por uma corrente elétrica).

Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoelétrico.

O efeito Seebeck é devido a dois fenômenos: difusão de portadores de carga e arrastamento fônon.

Histórico[editar | editar código-fonte]

O efeito Seebeck foi observado pela primeira vez em 1821 quando o físico Thomas Johann Seebeck estudava fenômenos termoelétricos.

Princípios Físicos[editar | editar código-fonte]

O princípio termoelétrico dos termopares deriva de uma propriedade física dos condutores metálicos submetidos a um gradiente térmico em suas extremidades: a extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts (mV).

Princípio Físico de um Condutor Metálico Submetido a um Gradiente de Temperatura

Na figura acima o valor da força eletro motriz

\Delta E

depende da natureza dos materiais e do gradiente de temperatura nos mesmos. Quando o gradiente de temperatura é linear, a diferença de potencial elétrico

\Delta E=E_{2}-E_{1}>0

depende apenas do material e das temperaturas

T_{1}

T_{2}

, (

T_{2}>T_{1}

), formalmente representado pela fórmula:

S={\Delta E \over \Delta T}

x

\Delta U={\frac {3}{2}}nR(T_{f}-T_{i})

onde S é o coeficiente termodinâmico de Seebeck,

\Delta T

é a diferença de temperatura

\Delta T=T_{2}-T_{1}

\Delta E

é a diferença de potencial elétrico usualmente medido em milivolts em função da diferença de temperatura (mV/°C).

Quando dois condutores metálicos A e B de diferentes naturezas são acoplados mediante um gradiente de temperatura, os elétrons de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial elétrico num efeito semelhante a uma pilha eletroquímica. Esse efeito é conhecido como Efeito Seebeck sendo capaz de transformar energia térmica em energia elétrica com base numa fonte de calor mediante propriedades físicas dos metais.

Princípio Físico de um Termopar Metálico Submetido a um Gradiente de Temperatura

A figura acima representa dois metais acoplados num dispositivo termopar do tipo T (Cu 100 %; Constantan, Cu 55 %, Ni 45 %). Quando associamos dois metais num termopar, a força eletro motriz gerada é:

E=\int _{T_{1}}^{T_{2}}\left(S_{\mathrm {B} }(T)-S_{\mathrm {A} }(T)\right)\,dT

x

\Delta U={\frac {3}{2}}nR(T_{f}-T_{i})

onde S_A e S_B são os coeficientes de Seebeck dos metais A e B, T₁ e T₂ representam a diferença de temperatura na junção dos materiais. Os coeficientes de Seebeck são não-lineares e dependem da temperatura absoluta, material, e da estrutura molecular. Se os coeficientes de Seebeck podem ser considerados efetivamente constantes numa certa gama de temperatura, a fórmula acima pode ser aproximada por:

E=(S_{\mathrm {B} }-S_{\mathrm {A} })\cdot (T_{2}-T_{1})

x

\Delta U={\frac {3}{2}}nR(T_{f}-T_{i})

Desse modo é possível obter-se energia elétrica usando-se uma fonte de calor.

Utilização[editar | editar código-fonte]

Atualmente o efeito Seebeck é muito utilizado para a construção de termômetros em que se mede diferença de temperatura através de um voltímetro calibrado para este fim.

Outra aplicação deste mesmo efeito é a construção de pilhas atômicas (Gerador termoelétrico de radioisótopos) para produzir pequenas potências, mas de longa duração, o que é necessário em situações especiais como na sonda Cassini-Huygens e nas sondas Voyager.

Desvantagem[editar | editar código-fonte]

A maior desvantagem da utilização da geração de energia termelétrica direta é a baixa potência. Isto obriga a construção de milhares de células termelétricas para a obtenção de alguns Watts de potência.

A lei de Joule (também conhecida como efeito Joule ou efeito térmico) é uma lei física que expressa a relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que percorre um condutor em determinado tempo. Um resistor é um dispositivo que transforma a energia elétrica integralmente em calor.^[1] O nome é devido a James Prescott Joule (1818-1889) que estudou o fenômeno em 1840 e, um ano mais tarde, publicada na Philosophical Magazine, pela Royal Society.^[2]

Definição[editar | editar código-fonte]

Ela pode ser expressa por:^[1]

Q=I^{2}\cdot R\cdot t

x

\Delta U={\frac {3}{2}}nR(T_{f}-T_{i})

onde:

Q é o calor gerado por uma corrente eletrica percorrendo uma determinada resistência elétrica por determinado tempo.
I é a corrente elétrica que percorre o condutor com determinada resistência R.
R é a resistência elétrica do condutor.
t é a duração ou intervalo de tempo em que a corrente elétrica percorreu ao condutor.

Se a corrente não for constante em relação ao tempo:

Q=R\int _{t_{1}}^{t_{2}}i^{2}dt\,

x

\Delta U={\frac {3}{2}}nR(T_{f}-T_{i})

Termodinâmica[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Termodinâmica

Quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo.

Unidade joule[editar | editar código-fonte]

A lei de Joule está relacionada com a definição de joule onde:

Um joule é o trabalho realizado para transportar um coulomb (unidade de medida da carga elétrica) de um ponto para outro, estando os dois pontos a uma diferença de potencial de um volt (unidade de medida da diferença de potencial).
O trabalho é dado por:

\ W=Q.U

x

\Delta U={\frac {3}{2}}nR(T_{f}-T_{i})

Onde:

W é o trabalho elétrico (em joule).
Q é a carga (em coulomb).
U é a diferença de potencial (em volt).

Teoria cinética[editar | editar código-fonte]

A nível molecular o aquecimento acontece por causa da colisão dos elétrons com os átomos do condutor, em que o momento é transferido ao átomo, aumentando a sua energia cinética (ver calor).

Podemos dizer, portanto, que, quando o elétron colide com os átomos, fazem com que os núcleos vibrem com maior intensidade. O grau de agitação molecular é chamado de temperatura, ou seja, quando os elétrons colidem, aumentam a energia cinética dos átomos, sua temperatura.

Efeito de Joule[editar | editar código-fonte]

A passagem da corrente elétrica num condutor provoca o aumento de temperatura liberando calor.^[3] A energia elétrica que se transforma em energia calorífica num receptor ou condutor, é diretamente proporcional à resistência elétrica, ao quadrado da intensidade da corrente que o percorre e ao tempo de passagem da corrente. Esta lei é traduzida matematicamente pela seguinte expressão^[3]:

W=R\cdot I^{2}\cdot t

x

\Delta U={\frac {3}{2}}nR(T_{f}-T_{i})

Em que:

W - é o trabalho ou a energia dissipada por efeito joule (em joules).
R - é a resistência elétrica (em ohms).
I - é a intensidade de corrente que percorre o receptor ou condutor (em ampères).
t - o tempo de passagem da mesma corrente (em segundos).

terça-feira, 20 de agosto de 2019