Efeitos termoelétricos

Efeitos termoelétricos

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Introdução

O presente trabalho que tem como temaː Fenómeno termoeléctrico, Corrente Eléctrica nos Electrólitos, Semicondutor rege falar de em termo gerais da sua importância e aplicações, visto que, quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenómenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta.

Fenómeno termoeléctrico

Um termopar é um transdutor formado simplesmente por dois pedaços de fios de diferentes metais ou ligas, unidos electricamente apenas em suas extremidades formando duas junções, que apresenta uma corrente eléctrica no circuito termoeléctrico formado, quando essas junções são submetidas a diferentes temperaturas. Uma dessas junções é denominada junção de medição e é submetida à temperatura que se deseja medir. A outra é denominada junção de referência e é aplicada a uma temperatura conhecida (temperatura de referência), normalmente um banho de gelo. A força electromotriz que gera a corrente eléctrica, é função da diferença entre as temperaturas das junções e é chamada força electromotriz térmica ou simplesmente f.e.m. térmica e, para que essa f.e.m. térmica seja medida, o circuito termoeléctrico deve ser aberto em algum ponto, onde um voltímetro é introduzido. Para que sejam evitados possíveis erros causados por efeitos decorrentes da lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias, convencionou-se que o ponto de abertura do circuito seria a própria junção de referência, onde fios de cobre seriam ligados para que esses pontos fossem conectados ao voltímetro. Como descrito pela lei dos metais homogéneos, a presença desses fios de cobre não altera a f.e.m. térmica lida no voltímetro.

O termopar é, portanto, diferente da maioria dos sensores de temperatura uma vez que sua resposta está directamente relacionada à diferença de temperatura entre as junções de medição e de referência.

Os princípios ou teorias fundamentais dos efeitos termoeléctricos não foram estabelecidos por um único cientista e nem em uma única época, mas por vários deles, trabalhando por muitos anos. A termoeletricidade tem a sua origem em Alessandro Volta (1800) que concluiu que a electricidade causadora dos espasmos nas pernas de sapo estudadas por Luigi Galvani (1780) era devida a um contacto entre dois metais dissimilares. Essa conclusão foi a precursora do princípio do termopar.

Após a descoberta de Volta, outros cientistas passaram a pesquisar os efeitos termoelétricos, dos quais podem ser destacados Thomas Seebeck (1821), Jean Peltier (1834) e William Thomson – Lorde Kelvin (1848-1854), que deram origem às denominações dos três efeitos básicos da termometria termoeléctrica, diferentes, mas relacionados entre si. Esses efeitos são conhecidos como efeitos termoeléctricos e recebem essa denominação porque envolvem tanto calor quanto electricidade. Os três efeitos termoeléctricos são o efeito Seebeck, que é o relevante para os termopares, e os efeitos Peltier e Thomson, que descrevem o transporte de calor por uma corrente elétrica.

EFEITOS TERMOELÉTRICOS

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenómenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta.

A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoeléctricos é muito importante e sua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades termoeléctricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação dos processos de medições na geração de energia eléctrica (bateria solar) e na produção de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoeléctricos é uma das importantes aplicações do efeito Seebeck. Actualmente, busca-se o aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obtenção de calor ou frio no processo de climatização ambiente.

3.2 EFEITO TERMOELÉTRICO DE SEEBECK

O fenómeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura ΔT entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm , e a outra, junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termómetro.

Seebeck descobriu a existência de correntes termoeléctricas enquanto observava efeitos electromagnéticos associados com circuitos de bismuto/cobre e bismuto/antimónio. Seus experimentos mostraram que, quando as junções de dois metais dissemelhantes formando um circuito fechado são expostas a temperaturas diferentes, uma força eletromotriz (f.e.m.) térmica é gerada, induzindo o aparecimento de uma corrente eléctrica contínua nessa malha.

O efeito Seebeck está relacionado à conversão de energia térmica em energia eléctrica com o aparecimento de uma corrente elétrica na malha. A tensão Seebeck se refere à f.e.m. térmica em uma condição na qual a corrente eléctrica seja nula, ou em outras palavras, que o circuito esteja em malha aberta. A polaridade e a magnitude da tensão Seebeck, ES, dependem tanto das temperaturas das junções quanto dos metais com os quais o termopar é construído. Para uma combinação de dois supostos metais A e B, em uma pequena diferença de temperatura entre as junções:

Onde É o coeficiente de proporcionalidade chamado de coeficiente Seebeck ou potência termoeléctrica, sendo obtido por duas formas:

• Como a diferença entre os coeficientes Seebeck relativos e onde para uma dada diferença e a um dado valor de temperatura, a f.e.m. de cada um dos metais A e B é obtida em relação a um material de referência arbitrário, R.

• Por uma diferenciação numérica de valores tabelados de ES versus T para uma determinada temperatura de referência, conforme a relação:

De qualquer forma, o coeficiente Seebeck representa, para uma determinada combinação de materiais, a razão entre a variação na f.e.m. térmica de uma malha e a variação na temperatura, ou seja:

Deste modo, se uma função E = aT bT 2 é determinada através de uma calibração, tem-se que:

Pode-se então afirmar que para uma determinada combinação de metais, o coeficiente de Seebeck é função apenas da temperatura.

Efeito Peltier

Peltier descobriu efeitos termoelétricos peculiares quando introduziu pequenas correntes elétricas externas em um termopar de bismuto-antimônio de Seebeck. Seus experimentos mostraram que, quando uma pequena corrente elétrica atravessa a junção de dois metais diferentes em uma direção, a junção se resfria, absorvendo calor do meio em que se encontra. Quando a direção da corrente é revertida, a junção se aquece, aquecendo o meio em que se encontra.

O efeito Peltier está relacionado à emissão ou absorção de calor reversível que normalmente está presente quando uma corrente elétrica atravessa a junção entre dois metais diferentes. Esse efeito está presente tanto quando a corrente é introduzida por um circuito externo, quanto quando é gerada pelo próprio termopar. Acreditava-se que o calor gerado fosse proporcional à corrente elétrica, sendo escrito como:

Onde π representa o coeficiente de proporcionalidade conhecido como coeficiente Peltier ou tensão Peltier. É importante ressaltar que π representa o calor reversível que é absorvido ou emitido pela junção, na unidade de corrente elétrica e na unidade de tempo e, é definido na unidade de tensão elétrica. A polaridade e a magnitude da tensão Peltier depende da temperatura da junção e dos materiais usados na sua construção, entretanto π em uma junção é independente da temperatura da outra junção.

Aquecimento ou resfriamento externo da junção provoca o efeito contrário ao efeito Peltier. Mesmo na ausência de todos os outros efeitos termoeléctricos, quando a temperatura de uma junção (a junção de referência) é mantida constante e a temperatura da outra junção é aumentada por calor externo, uma corrente eléctrica será induzida na malha em uma direcção. Se a temperatura desta última for reduzida abaixo da primeira por resfriamento externo, a direcção da corrente eléctrica será revertida. Portanto, o efeito Peltier está intimamente relacionado ao efeito Seebeck. Peltier posteriormente observou que, para uma determinada corrente eléctrica, a taxa de absorção ou liberação de calor em uma junção termoeléctrica é dependente do coeficiente de Seebeck,α, dos dois materiais.

Efeito Thomson

Cabe a Thomson tentar provar que α e π estão relacionados através da temperatura absoluta. Thomson chegou à notável conclusão que uma corrente eléctrica produz diferentes efeitos térmicos, dependendo da direção de sua passagem do ponto quente para o ponto frio ou do frio para o quente, em um mesmo metal. Aplicando os então novos princípios da termodinâmica aos termopares e desprezando os irrevogáveis i2R e os processos de transferência de calor, Thomson concluiu que, se uma corrente elétrica produz somente os efeitos Peltier de aquecimento, então a tensão Peltier na malha seria igual à tensão Seebeck e seria proporcional à diferença de temperatura das junções do termopar. Este raciocínio induz a um desacordo com as características observadas, isto é, dES / dT constante. Por essa razão, Thomson concluiu que a tensão Peltier na malha não seria a única tensão gerada em um circuito termopar, mas que um único condutor por si só, quando exposto a um gradiente de temperatura longitudinal, seria também uma fonte de tensão.

O efeito Thomson se refere à emissão ou absorção reversível de calor que ocorre quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor homogéneo através do qual um gradiente de temperatura é mantido, não importando se a corrente está sendo introduzida externamente ou induzida pelo próprio termopar.

O calor gerado ou absorvido em um condutor é proporcional à diferença de temperatura e à corrente elétrica, ou seja:

Onde σ é o coeficiente de proporcionalidade chamado coeficiente Thomson. Devido a uma aparente analogia entre σ e o usual calor específico, c, da termodinâmica, Thomson se referiu a σ como o calor específico de eletricidade. É importante ressaltar que σ representa a taxa de absorção ou emissão de calor por unidade de gradiente de temperatura por unidade de corrente ao passo que c representa o calor transferido por unidade de gradiente de temperatura por unidade de massa. O coeficiente Thomson é visto também como uma representação de f.e.m. por unidade de diferença de temperatura. Portanto, a tensão Thomson total gerada em um condutor pode ser expressa como:

Onde a sua polaridade e magnitude dependem do valor da temperatura, da diferença de temperatura e do material. Deve-se notar que a tensão Thomson não pode manter uma corrente em apenas um condutor homogêneo formando um circuito fechado, pois duas forças eletromotrizes iguais e opostas serão geradas nos dois sentidos entre as partes quente e fria.

Mais tarde Thomson conseguiu demonstrar indiretamente a existência da tensão Thomson. Ele aplicou uma corrente elétrica externa em um circuito fechado, formado por um único condutor homogêneo, submetido a um gradiente de temperatura e percebeu que o calor produzido por i2R aumentava ou diminuía levemente por causa do calor reversível Thomson nos sentidos de quente para frio ou de frio para quente, dependendo do sentido da corrente e do metal do condutor.

Corrente Electrica nos Electrolitos

Electrólitos é toda a substância que, dissociada ou ionizada, origina íons positivos (cátions) e íons negativos (ânions), pela adição de um solvente ou aquecimento. Desta forma torna-se um condutor de electricidade

Electrólito forte é uma substância que está completamente ionizada em solvente. Suas soluções conduzem electricidade melhor que o soluto puro. Os electrólitos são oferecidos normalmente por substâncias iónicas ionizáveis.

Electrólito fraco é uma substância molecular que está parcialmente ionizada em solução, ou seja, possui iões livres na solução, assim como possui moléculas, que caracteriza a solução pela pouca condutividade eléctrica. O electrólito fraco e os iões ficam em equilíbrio com moléculas não dissociadas. Ex.:

Eletrólito potencial

É aquele electrólito que não apresenta iões, ou seja, é constituído por unidades estruturais denominadas moléculas. Os iões são formados pela adição de um solvente polar como, por exemplo, água.

Eletrólito intrínseco

É o eletrólito que já apresenta iões, porém, fortemente ligados formando um conjunto iônico sólido e cristalino. Os íons são liberados por fusão ou por adição de um solvente polar.

NaCl( fundido ) ⇐> Na+( fundido ) + Cl-( fundido )

NaCl( aquoso ) ⇐> Na+( aquoso ) + Cl-( aquoso )

Não-electrólito: Se o composto não dissocia em solução. Por exemplo a glicose, etanol, sacarose etc.

Solução eletrolítica

É a solução que contém os íons livres derivados do eletrólito. Quando o eletrólito dissocia parcialmente, estes ions coexistem em equilíbrio com este eletrólito. Devido a existência de íons livres, a solução eletrolítica tem a capacidade de conduzir a corrente elétrica.

  • Solução eletrolítica aquosa é aquela cujos íons foram solvatados pela água.

  • Solução eletrolítica ígnea é aquela cujos íons foram liberados por aquecimento (processo de fusão)

Semicondutor

Semicondutores são sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são em muito pontos semelhantes aos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica.

De uma maneira geral, semicondutores são sólidos nos quais à temperatura de 0 K (zero Kelvin) ou (-273,15 °C) seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de valência.

Um facto conhecido na física do estado sólido é que a condutividade elétrica é devida somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e 'libertá-lo' na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou isolante. Para um semicondutor, pela definição esta energia é abaixo dos 4.5 eV (elétron-volt), para isolantes esta energia é a partir desse valor. Nos condutores existem sempre bandas de energia semi preenchidas, portanto não existe uma quantidade mínima de energia necessária para se 'libertar' seus elétrons.

Nos semicondutores a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que conseguiram pular para a banda de condução. Os buracos também chamados de lacunas que eles deixaram na banda de condução também dão contribuição importante. Tão importante que este buracos são tratados como partículas normais com carga positiva, oposta à do electrão, .

Qualquer material submetido a uma tensão conduz alguma corrente, sendo, portanto, um condutor. Entretanto, observa-se que os valores de suas resistividades podem ser muito próximos, se compararmos dois metais, ou muito diferentes, se compararmos um metal com um objecto de vidro. Materiais como o vidro, a borracha, a madeira, diversos tipos de plásticos etc., que têm resistividades muito altas, são denominados isolantes ou dielétricos. Materiais, como os metais, que apresentam valores muito pequenos de sua resistividade são denominados condutores.

Existem materiais cujas resistividades apresentam valores intermediários e por isto são denominados semicondutores. Há ainda materiais que, quando resfriados abaixo de temperaturas características, denominadas temperaturas críticas, apresentam valores nulos de resistividade; eles são denominados supercondutores. Neste último caso é possível a existência de correntes elétricas sem perda de energia elétrica e conseqüente geração de calor.

De forma geral pode-se afirmar que bons condutores de eletricidade são bons condutores de calor. No entanto as diferenças entre as condutividades térmicas dos materiais são muito menores. Não há condutores de calores tão eficientes quanto o são os bons condutores elétricos, assim como não há isolantes térmicos com a eficiência dos isolantes elétricos. Isto permite que manipulemos fluxos de cargas elétricas com muito mais facilidade do que se pode fazer com a energia térmica.

Semicondutor intrínsecos

Quando um semicondutor não tem impurezas em quantidade superficial para alterar as suas propriedades, diz-se que se trata de um semicondutor intrínseco. Note que o teor relativo de impureza ou a razão de impureza para o cristal intrínseco é expresso por 1ː109 ou, como também se usa dizer,1ppb (uma parte por pilha).Essa presença diga-se apenas acidental de teor tão significante (1ppb) não é suficiente para inferir na estabilidade tetracovalente do material semicondutor base (germânio ou silício, usualmente), vale dizer, no processo de manutenção das quebras ou rupturas de ligação (gerando electrões e lacunas aos pares) e,conseguentimente, na constância de combinação de pares. O cristal permanece pois, estável.

Como nos metais, os semicondutores possuem a condutibilidade electrónica que se determina pelo deslocamento dos electrões de condução. A temperatura ambiente, há electrões de condução cuja ligação com os núcleos de átomos é fraca. Estes electrões realizam um movimento térmico caótico entre os átomos da rede cristalina. Nesta condição, se aplicamos um campo eléctrico exterior ao semicondutor, surge uma corrente eléctrica de deriva.

Além da condutibilidade eléctrica, os semicondutores possuem também a condutibilidade por lacunas. Em um semicondutor intrínseco, o número de electrões é igual ao número de lacunas, pois cada vez mais uma ligação covalente é rompida (ou formada), um par electrão-coluna é gerado (ou eliminado) no processo. Este processo denomina-se geração e recombinação de portadores de carga e as concentrações de cargas livres estabelecem a seguinte igualdade.

Agora vamos explicar o surgimento da lacuna num cristal semicondutor com auxílio do modelo bidimensional da figura seguir.

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