Componentes eletrônicos, Eletrônica analógica, Projetos, Temperatura, Termodinâmica

Os efeitos Seebeck e Peltier

Os efeitos Seebeck e Peltier são fenômenos termelétricos que explicam o funcionamento dos termopares, sensores de temperatura com 2 materiais diferentes.

O efeito Seebeck

Este fenômeno foi descoberto em 1821, pelo físico alemão Thomas Johann Seebeck. Considere o circuito abaixo com dois metais diferentes A e B. Ao esquentar uma das junções T_{1} ou T_{2}, uma força eletromotriz (diferença de potencial) é produzida nos terminais de V.

O termopar é um sensor de temperatura que usa o efeito Seebeck. Ao esquentar uma junção (Hot junction), uma tensão diretamente proporcional à temperatura é produzida nos terminais ligados à junção fria (Cold Junction). Porém, a tensão gerada é muito pequena, por volta de microvolts/ºC. Por isto, é usado um circuito eletrônico amplificador, para ler o sinal com mais facilidade e determinar a temperatura.

termopar
Fonte: Omega.
curva termopar
Existem vários tipos de termopares, cada um com ligas, variação de tensão em relação a temperatura e faixa de temperatura de operação diferentes. Fonte: Manual da Eletrônica.

Como a diferença de temperatura entre as junções gera energia elétrica? Todo metal possui elétrons livres (free electrons), ficam na órbita mais externa do átomo (outer shell), quando recebem energia, ultrapassam a barreira potencial e ficam fora da eletrosfera.

Estes elétrons possuem energia térmica. Quanto maior a temperatura, maior a vibração de átomos e elétrons livres, portanto, maior energia térmica. Quando há uma diferença de temperatura (Temperature ΔT), os elétrons se concentram para o lado mais frio (Cold), devido ao aumento da vibração dos elétrons.

ilustração do efeito Seebeck
A diferença de concentração de elétrons produz uma diferença de potencial (Voltage ΔV). Fonte: (Hung, Nugraha e Saito, 2019).

Os materiais possuem condutividades elétrica e térmica diferentes. A mesma variação de temperatura produzirá valores diferentes de tensão para cada metal. Consequentemente, uma corrente é criada se o circuito for fechado.

O fenômeno Peltier

Este efeito termelétrico é o oposto de Seebeck, foi descoberto acidentalmente em 1834, pelo físico francês Jean-Charles-Athanase Peltier. Ele descobriu que quando uma corrente elétrica flui por um circuito composto por dois filamentos: um de cobre (Copper) e outro de bismuto (Bismuth), uma junção fica mais quente (Hot Junction) e outra mais fria (Cold Junction).

experiência do efeito Peltier
Fonte: Inst Tools.

Como a corrente elétrica produz diferença de temperatura? Cada metal possui uma energia térmica média dos elétrons. Quando os elétrons da corrente vão de uma liga para outra através da junção, estes perdem ou absorvem calor. Qual junção vai esquentar ou esfriar depende do sentido da corrente. A junção fria absorve calor, enquanto a junção quente emite calor.

A pastilha Peltier

pastilha Peltier
Esta é a pastilha Peltier TEC1-12706.

A pastilha comercial Peltier usa semicondutores, pois são melhores para produzir os efeitos termelétricos. São usados dois semicondutores dopados dos tipos n (excesso de elétrons) e p (falta de elétrons). Os materiais mais usados são o telureto de bismuto (Bi_{2}Te_{3}) e o telureto de chumbo (PbTe).

Esquema Pastilha de Peltier
Circulação de corrente em uma pastilha Peltier passa pelos semicondutores e malha condutora. Fonte: Wikimedia.

Uma pastilha Peltier possui várias junções ligando os semicondutores com a malha condutora.

pastilha Peltier
Fonte: Automa3D.
Identificação da célula Peltier
Código de identificação da célula Peltier. Da esquerda para a direita: A letra depois de TE é o tamanho, C = padrão e S = pequeno, 1 é o número de estágios, 127 é o número de pares de semicondutores P e N. Por último, a corrente de operação, de 0 a 9 A. Fonte: Blech-iot.
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