Konrad Eric Tema2 Surse De Energie [632068]

Universitatea POLITEHNIC A din Bucures ,ti
Facultatea de Inginerie Electric a
TEMA 2
la disciplina Surse de Energie
Autor: Eric KONRAD
Anul II
GRUPA 121A
3 Decembrie 2017
1

Contents
1 Efectul Termoelectric 3
2 Efectul Seebeck 4
3 Efectul Peltier 7
4 Efectul Thomson 8
5 R acirea termoelectric a 10
6 Termometrul Termoelectric 11
7 Referinte 12
2

1 Efectul Termoelectric
Efectul termoelectric este conversia direct a a diferent ,ei de temperatur a ^ n
tensiune electric a s ,i vice versa. Acest efect poate  folosit pentru a gen-
era electricitate, pentru a m asura temperatura s ,i pentru a r aci obiectele.
Din cauza direct ,iilor de r acire sau ^ nc alzire determinate de sensul tensiunii
aplicate, efectul termoelectric controleaz a foarte bine temparatura. Efec-
tul termoelectric ^ ncorporeaz a trei mecanisme indenticate separat: Efectul
Seebeck, Efectul Peltier s ,i Efectul Thomson.
3

2 Efectul Seebeck
Efectul termoelectric, descoperit de Seebeck ^ n 1823, const a ^ n aparit ia unei
tensiuni electrice ^ ntr-un circuit format din dou a metale diferite (1,2) ale
c aror jonct iuni nu au aceea si temperatur a (T1 T2)(g.1). Tensiunea
electromotoare din circuit se nume ste tensiune termoelectric a  si se anuleaz a
^ n momentul egal arii temperaturilor (TA =TB).
Figura 1:Generarea tensiunii termoelectrice prin aplicarea unei diferent e
de temperatur a unui dispozitiv cu 2 metale diferite.
Efectul termoelectric se explic a prin propriet at ile contactului metal{metal.
La contactul a dou a metale, condit ia de echilibru a gazului electronic duce
la egalarea potent ialelor chimice (nivelelor Fermi), ce au valorile init iale 1
 si2. Potent ialul chimic este lucrul mecanic efectuat c^ and num arul de
electroni din sistem se schimb a cu o unitate.
^In gura 2 sunt reprezentate gropile de potent ial ale celor dou a metale (la
0C) aduse ^ n contact, la care a avut loc o deplasare a nivelelor energetice,
astfel ^ nc^ at s a coincid a pozit iile nivelelor Fermi.
Diferent a de potent ial de contact este proport ional a cu diferent a lucrurilor
de extract ie :
Uc=(W2W1)
e
4

Variat ia temperaturii duce la o modicare a potent ialului chimic, deci  si a
potent ialului de contact:
Uc=(W2W1)
e+
kB
T
e

lnn1
n2
unde: { e-sarcina electronului;
{ kB-constanta lui Boltzmann;
{ T-temperatura jonct iunii;
{ n1, n2-concentrat iile electronilor liberi ^ n cele dou a metale.
Figura 2:Aparit ia diferent ei de potent ial de contact dintr dou a metale.
Valoarea potent ialului de contact depinde de natura metalelor, de puritatea
lor  si nu este in
uent at a de forma  si dimensiunea lor. Efectul Seebeck are
trei cauze care se re
ect a ^ n coecientul Seebeck :
S=Sv+Sc+Sf
Sv – componenta volumic a a coecientului Seebeck, datorat a difuziei
preponderente a purt atorilor mobili de sarcin a electric a de la extremitatea
cald a spre cea rece;
Sc – componenta de contact a coecientului Seebeck, datorat a variat iei
potent ialului de contact cu temperatura, legat de dependent a de
temperatur a a potent ialului chimic (nivelului Fermi F)
Sc=1
edF
dT
5

Sf – componenta fononic a a coecientului Seebeck, datorat a antren arii
electronilor de conduct ie de c atre fononii (vibrat iile ret elei cristaline) care
se deplaseaz a de la extremitatea cald a spre cea rece (important a doar la
temperaturi joase, criogenice).
^Intr-un circuit ^ nchis cu dou a jonct iuni (A  si B, gura 1), tensiunea este:
E=UCAUCB
^Inlocuim ^ n relatia anterioar a potent ialele care dirijeaz a electronii ^ n sens
contrar  si vom obt ine:
E= (TATB)
kB
e

lnn1
n2
^ n care expresia S=(kB /e)
ln(n1 /n2) este constant a iar tensiunea:
E=S
(TATB)
relat ie valabil a pentru intervale limitate de temperatur a. Cele dou a metale
din circuit ce formeaz a un termocuplu se folosesc la m asurarea
temperaturii. Dac a temperatura TBa jonct iunii de referint  a B se ment ine
constant a, tensiunea termoelectromotoare va  in
uent at a numai de
temperatura jonct iunii A ( TA):
6

3 Efectul Peltier
Efectul Peltier a fost descoperit ^ n 1834  si poate  enunt at astfel: Un curent
electric care str abate punctul de contact dintre dou a re sudate cauzeaz a
aparit ia unei diferent e de temperatur a ^ ntre cele dou a puncte sudate. ^In
urma str abaterii punctului de contact de c atre purt atorii de sarcin a prin
consecint  a, c aldura este absorbit a  si respectiv eliberat a ind indus un
ux
de c aldur a de la un cap at la cel alalt al relor.
Aparit ia
uxului de c aldur a la jonct iuni poate  ^ nt eleas a lu^ and ^ n
considerare conservarea energiei ^ n interiorul jonct iunii  si modicarea
energiei totale a purt atorilor de sarcin a la trecerea acestora prin jonct iune.
Din punct de vedere fenomenologic, ^ ntr-o anumit a m asur a, efectul Peltier
descrie inversul efectului Seebeck. Cu toate acestea, ^ n accept iunea mai
larg a, efectul zic prezint a unele diferent e, deoarece efectul Peltier apare
doar ^ n prezent a unui curent electric ^ n timp ce efectul Seebeck cauzeaz a
aparit ia unei tensiuni electrice ^ n condit iile ^ n care exist a un circuit deschis.
Figura 3:Reprezentare schematic a a unui termocuplu.
Fluxul de c aldur a de la un cap at la cel alalt al relor ( QPeltier ) depinde de
curentul purt atorilor de sarcin a (j) precum  si de coecientul Peltier ( ab)
dup a cum urmeaz a:
QPeltier =abqj
Coecientul Peltier al jonct iunii, ( ab), este denit ca ind egal cu diferent a
coecient ilor materialelor constituente ( ab=ab). Astfel, direct ia de
curgere a c aldurii printr-o jonct iune depinde at^ at de materialele alese c^ at  si
de curentul care str abate jonct iunea. Mai mult dec^ at at^ at, coecientul
Peltier este dependent de temperatur a.
7

4 Efectul Thomson
Dac a un conductor omogen este adus ^ ntr-o stare ^ n care nu toate punctele
sale se a
 a la aceeas ,i temperatur a, se constat a aparit ,ia unui efect
termoelectric ce a primit numele de efect Thomson.
Fie conductorul, str ab atut de un curent electric, din gura 4.
Figura 4:Reprezentarea actiunii efectului Thomson
Dac a conductorul nu este str ab atut de curent electric, distribut ,ia de
temperatur a este cea punctat a. ^In cazul ^ n care conductorul este str ab atut
de curent electric, distribut ,ia temperaturii este dat a de una din cele dou a
curbe continue.
^In cazul ^ n care c aldura degajat a de curent ( ^ n afara celei Joule ) apare
atunci c^ and sensul curentului coincide cu gradientul de temperatur a se
spune c a se realizeaz a un efect Thomson pozitiv (curba 1). Dac a se degaj a
c aldur a atunci c^ and curentul este ^ n sens contrar sensului gradientului de
temperatur a, se realizeaz a un efect Thomson negativ (curba 2).
Metalele Bi, Zn au un efect Thomson pozitiv iar Fe, Pt, Sb prezint a un
efect Thomson negativ.
C aldura degajat a sau absorbit a prin efect Thomson este dat a de relat ,ia:
dQ=hdTldt
unde h se numes ,te tensiune electromotoare Thomson (coecient Thomson).
8

Deoarece s-a constat c a efectul Thomson este reversibil, rezult a c a, pe un
circuit ^ nchis suma tensiunilor electromotoare produse prin efect Thomson
este 0. Aceast a lege se numes ,te legea lui Magnus. Matematic, aceasta se
scrie astfel:
I
ThdT = 0
cu alte cuvinte nu poate circula un curent electric ^ ntr-un circuit doar prin
efect Thomson. Explicat ,ia acestui efect const a ^ n faptul c a regiunile
metalului cu temperaturi diferite se comport a ca dou a metale diferite. La
contactul acestor regiuni apare o tensiune de contact asem an atoare celei
Volta.
9

5 R acirea termoelectric a
R acirea termoelectric a foloses ,te Efectul Peltier pentru a crea un
ux de
c aldur a ^ ntre jonct ,iunile celor dou a tipuri de materiale. Un R acitor Peltier,
^ nc alzitor, sau pomp a de c aldur a termoelectric a este o pomp a activ a care
transfer a caldura de la o parte a dispozitivului la cealalt a, consum^ andu-se
energie electric a, ^ n funct ,ie de direct ,ia curentului.
Astfel de instrumeste sunt de asemenea numite dispozitive Peltier, pompe
de c aldur a Peltier sau r acitoare termoelectrice. Pot  folosite pentru a
^ nc alzii sau pentru a r acii, des ,i ^ n practic a aplicat ,ia principal a este r acirea.
De asemenea poate  folosit ca un controlor de temperatur a care e
^ nc alzes ,te e r aces ,te.
Aceast a tehnologie este mult mai put ,in aplicat a pentru r acire dec^ at este
r acirea pe baz a de compresie de vapori. Cele mai m ari avantaje ale
r acitorului Peltier comparat cu un r acitor pe baz a de compresie de vapori
este lips a mis ,c arii p art ,ilor componente sau circulat ,ia lichidului, durata
lung a de viat , a, invulnerabilitatea la scurgezi, dimensiunie mici s ,i forma

exibil a.
Principalele dezavantaje sunt pret ,ul ridicat s ,i ecient ,a sc azut a din punct de
vedere al consumului de putere. Mult ,i cercet atori s ,i companii inceara s a
dezvolte r acitoare Peltier ieftine s ,i eciente.
Un r acitor Peltier poate  utilizat de asemenea ca un generator
termoelectric.
C^ and este operat ca r acitor, este aplicat o tensiune prin dispozitiv, av^ and
ca rezultat o diferent , a ^ n temperatur a. C^ and este operat ca un generator, o
fat , a a dispozitivului este ^ nc alzit a la o temperatur a mai mare dec^ at cealalt a
fat , a, iar ca rezultat se va forma o diferent , a de potent ,ial ^ ntre cele dou a fet ,e
(Efectul Seebeck).
10

6 Termometrul Termoelectric
O jonct ,iune a termocuplei este ment ,inut a la 32degrees F (jonct ,iune rece).
Port ,iunea relor din jurul jonct ,iunii calde este bine izolat a folosind azbest.
Firele termocuplei sunt trecute prin discuri din mic a a
ate ^ ntr-un tub de
port ,elan.
Jonct ,iunea cald a este pus a ^ n contact cu obiectul a c arei temperatur a
urmeaz a s a e m asurat a. Instrumentul se calibreaz a prin t ,inerea jonct ,iunii
calde la temperaturi cunoscute iar rezultatul este m asurat cu un voltmetru
digital cu o precizie mare. Avantaje: Poate  folosit pentru a m asura
temperatura precis; Absoarbe o cantitate mic a de c aldur a de la obiectul
care se m asoar a deci nu schimb a temparatura m asurat a; Deoarece
capacitatea termic a e joas a, atinge temperatura care trebuie m asurat a
repede; Este ieftin s ,i poate  contruit us ,or.
Dezavantaje: Nu este un instrument care m asoar a temperatura direct;
Fiecare termocupla trebuie calibrat a individual.
11

7 Referinte
1. http://www.scritub.com/stiinta/zica/Efecte-termoelectrice23267.php
2.http://www.phys.utcluj.ro/PersonalFile/Cursuri/BarleaLaborator/Efect termoelectric 2c:pdf
3:https :==ro:wikibooks:org=wiki=LaTeX (carte )=Matematic
4:http :
==www:phys:utcluj:ro=PersonalFile=Cursuri=BarleaLaborator=Efect termoelectric 2c:pdf
5:http :==www:phys:ubbcluj:ro= lucian:baia=courses=Efectul
6:http :==www:scritub:com=stiinta=fizica=FENOMENE
TEMOELECTRICE 91235:php
7:http :==www:tutorvista:com=content=physics=physics iv=thermal
chemical currents=thermoelectricity applications:php
12