Lankide:Aitor Diaz Andres/Proba orria

Efektu termoelektrikoa, definizioz, bi material desberdinetako elkargunea berotuz korronte elektrikoa sortzea eragiten duena da, baita kontrarako efektua ahalbidetzen duena ere. Izan ere, muturretatik metal desberdinezko bi hari lotzen badira, eta elkargune horiek tenperatura desberdina baldin badute, zirkuitu horretatik korrontea igaroko da, tenperatura gradiente bat dagoen heinean. Kontrara boltaia aplikatzen denean, tenperatura diferentzia bat eratuko da, Peltier efektuaz ezaguna dena.

Efektu hori elektrizitatea sortzeko, tenperatura neurtzeko, objektuak hozteko, berotzeko edo sukaldatzeko erabitzen da. Berokuntza edo hozte prozesuaren norabidea, aplikatutako tentsio zeinuaren ondorioa da. Horrela, gailu termoelektrikoek tenperatura kontrolagailu egokiak sortzeko aukerak ematen dituzte.

Efektu termoelektriko edo termoelektrizitate terminoak hiru efektu biltzen ditu nagusiki; Seebeck efektua, Peltier efektua eta Thomson efektua. Normalean, efektu termoelektrikoari Peltier-Seebeck deitzeko joera dago, eta banaketa arbitrario hori Jean Peltier frantziar fisikariaren eta Thomas Johann Seebeck estoniar-alemaniar fisikarien aurkikuntza independenteen ondorio da.

Seebeck efektua

Seebeck zelularen eskema orokorra

Potentzia termoelektrikoa, edo Seebeck efektua, tenperatura gradiente (ΔT) baten aurrean korronte elektriko (E) bat lortzean datza: $E=S\cdot \Delta T$ non S potentzia termoelektriko koefizientea edo Seebeck koefizientea den. Lehenik ikertu zuen efektua Seebeck zientzialaria izan zen eta ondoren Oersted-ek garatu egin zuen ideia. Hauen aurkikuntzen ondorioz hurrengo baieztapena argitaratu zen: potentzial diferentzia bat agertzen da bi materialen artean (a eta b) tenperatura gradiente bat aplikatzen bada haien artean. Tenperatura gradientearen ondorioz elektroi eta hutsune mugimendua egoteko, materialak desberdinak izan behar dira. Honela zirkuitu bat osatzen da elektroi mugimendua ahalbidetuz eta korronte elektriko bat sortuz.

Izan ere, material baten alde bat tenperatura altutan jartzen bada eta beste aldea tenperatura baxutan jartzen bada, tenperatura altuko elektroiek energia altuagoa izango dute tenperatura hotzeko elektroiekin konparatuta. Hortaz, energia altuagoa izanik, abiadura ere altuagoa izango dute tenperatua baxuko elektroiekin alderatuz. Honela, energetikoagoak diren elektroien mugimendu bat agertuko da alde berotik alde hotzera.

Bi material izanik eta tenperatura gradiente berdinaren aurrean jartzen badira, elektroi eta hutsune gradiente bat agertuko da. Izan ere, material bakoitzak Seebeck koefiziente desberdina izango du. Adibidez, n eta p erdieroaleak erabiltzen badira, elektroi gradientea agertuko da n motako erdieroalean eta hutsune gradiente bat agertuko da p erdieroalean. Haien artean lotzen badira eta boltaia neurtzen bada, korronte elektriko bat agertzen dela aztertu da.

Erabilerak

Material hauen (erdieroalean gehien bat) konbinazioaren ondorioz lortzen den Seebeck efektuagatik, tenperatura oso modu zehatzean neurtu daiteke. Hau da, material biei tenperatura gradiente bat aplikatzen bazaie non tenperatura bat ezaguna den, korronte elektrikoa neurtuz determinatu daiteke beste tenperatura. Sistema hau termoparea deritzo. Oso erabilgarria izan daiteke ikerkuntzan, izan ere, hainbat esperimentuek tenperatura oso kontrolatu baten beharra dute eta beraz, termopareen bitartez hori kontrolatu daiteke.

Peltier efektua

Peltier efektuaren definizio gisa honako hau daukagu: kideak ez diren bi metalek edo erdieroalek elkar ukitzen duten azalean gertatzen den tenperatura-aldaketa, bertatik korronte elektrikoa iragaten denean. Korrontearen noranzkoaren arabera, tenperatura igo edo jaitsi egiten da.

Peltier efektua, bidegurutzean, lotura bat hozten eta bestea berotzean korronte elektrikoa bi material eroale desberdinak osatutako zirkuitu batean mantenduz definitzen da; efektua indartsuagoa da erdieroale desberdinak dituen zirkuituetan. Bi bismuto alanbretik ateratzen diren kobrezko alanbre bi kableen bidez loturiko bateriak osatutako zirkuituan, tenperatura gehikuntza gertatzen da korronteak kobretik bismutora joaten den loturan eta tenperatura jaisten da korronteak bismutotik kobrera doan loturan. 1834an Jean-Charles-Athanase Peltier fisikari frantsesak aurkitu zuen efektu hori.

Peltier efektua, Seebeck efektuaren alderantzizko fenomenoa da; korronte elektrikoa bi metalen loturaren bidez jariatzen dena beroa igortzen edo xurgatzen du denbora unitateko, bi materialen potentzial kimikoaren desberdintasunaren balantzea orekatzeko. Eragin horrekin, hozkailu elektronikoa egin daiteke, hau da, Peltier hozkailua. Peltier-eko hozkailua nitrogeno-eremuetan aplikatu da, hala nola, infragorrien detektagailuak, CPU hoztailak, biltegiak, etab. Hozte-potentzia konpresorearen oinarritutako hozkailuetan baino baxuagoa da.

Peltier koefizienteak (Π), Q korronte termikoaren koefizientea zehazten du edo, era berean, Π korronte elektrikoaren dentsitatearen egungo dentsitate termikoaren koefiziente gisa definitzen da non σ gaur egungo dentsitatea eroankortasun elektrikoa adierazten duen.

${\begin{array}{ccc}Q=\Pi \cdot I\\Q=\Pi \cdot J=\Pi \cdot \sigma (-\nabla T)\end{array}}$

Are gehiago, interesgarria da nola potentzialaren alderantzikatzearen ondorioz bere funtzionamendua berriro aldatzen duela; hau da, aurreko beroa sortzen duen azalera, hotza sortzen hasiko da eta beroa sortzen duena hotza sortzen hasiko da. Peltier unitateek ere kontuan hartu behar dituzte desabantaila batzuk. Kontsumo elektriko handia edota tenperatura eta hezetasunaren arabera kondentsazioa eta baldintza jakin batzuen ondorioz izotza sor dezake.

Peltier zelulak

Peltier zelularen eskema

Peltier zelulek aplikazio ugari dituzte, hotza eta, aldi berean, beroa erabiltzeko beharrezkoa den aplikazio ugari dagoelako.

N materialaren alboan potentzial positiboa eta negatiboa P materialaren aldeetan aplikatzen bada, goialdean kobrezko plaka hozten da, beheko kobrezko plaka berotzen den bitartean. Gelaxka berean, jarioaren polaritateak alderantzikatzen bada, hau da, polaritate negatiboa N material erdieroalearen alboan eta positiboa P materialaren alboan, bero/hotz funtzioa trukatuko da: goialdean berotzen da eta beheko bat hozten da.

Txanpon baten tamainako Peltier zelula baten dimentsioak kontuan hartzen baditugu, milimetro gutxi batzuk, zelula bakar bat gehienez 0.5 watt-eko hozte-ahalmena lortzen da. Hau da, 15 eta 20 watt-eko hozte-ahalmena lortzeko, bateriak eratu behar dira, gutxienez 30 edo 40 zelula. Izan ere, zelulen kopurua handitzen denean, irradiatutako azalera handitzen da eta, beraz, hozteko gaitasuna handitzen da.

Peltier moduluen aplikazioak

• Aire girotuen ekipoak, tenperatura eta hezetasuna kontrolatzen dutenak
• Hezetasuna kentzeko ekipoak, potentzia baxua eta 1-5 L tartekoak

Peltier hozkailuen desabantailak

• Gainberotzea

• Arazo elektrikoak

Thomson efektua

Thomson efektua aurreikusi zuen lehena, eta ondoren, esperimentalki frogatuta ahal izan zuena William Thomson (Lord Kelvin) izan zen 1851. urtean. Tenperatura gradiente batekin korronte garraiatzailea den eroale baten berokuntza edo hoztea azaltzen du. Thomsonek lan sakonak egin zituen beroari buruz. Aipatzekoa da James Prescott Joule-rekin batera Joule-Thomson efektua landu zuela; fenomeno horren funtsa, gasak hutsean hedatzen direnean jasaten duten tenperatura beherakada da. Horrek, garrantzi ikaragarria izan zuen gasak likidotzeko eta oso tenperatura baxuak lortu behar diren kasuetan.

Korrontea garraiatzen duen eroale batek (supereroaleak izan ezik), bi punturen arteko tenperatura desberdinarekin, beroa xurgatzen edo igortzen du, materialaren arabera. J korronte dentsitatea duen eroale homogeneo batetik pasaraztean, bero ekoizpena bolumeneko honako hau da:

$q=\rho \cdot J^{2}-\mu \cdot J\cdot {\dfrac {dT}{dx}}$

Non ρ materialaren erresistibitatea den, $dt/dx$ burdin harian zehar tenperatura gradientea eta $\mu$ Thomson koefizientea den. Aurreneko osagaiak, $\rho \cdot J^{2}$, itzulgarria ez den Joule efektua adierazten du. Bigarrena, Thomson beroa da, zeina zeinuz aldatzen den J noranzkoz aldatzen denean.

Zinka eta kobrea bezalako metalek, potentzial handiagoan mutur beroagoa dute eta mutur hotzagoa potentzial txikiagoan. Korrontea mutur berotik hotzera mugitzen denean, potentzial altutik txikira mugitzen da, bero ekoizpena ematen delarik. Horri, Thomson efektu positiboa deritzo.

Kobaltoa, nikela eta burdina bezalako metaletan, aldiz, potentzial handiagoa duen muturra hotz dago eta potentzial txikiagoa duena beroagoa. Korrontea, potentzial baxutik handiagora mugitzen denean, beroaren xurgapena ematen da. Kasu honi, Thomson efektu negatiboa deritzo.

Thomson koefizientea, material bakarrerako neur daitekeen koefiziente termoelektriko bakarra da. Peltier eta Seebeck koefizienteetan material bikoteetan soilik aurki daitezke.