Termoelettricità.

Insieme dei fenomeni connessi alla trasformazione di energia elettrica in energia termica e viceversa. In tale accezione, pertanto, rientrano non solo i fenomeni termoelettrici per eccellenza, come gli effetti Seebeck, Peltier e Thomson, ma anche l'effetto Joule, che riguarda le relazioni esistenti fra quantità di elettricità e di calore in un circuito percorso da corrente. ║ Effetto Seebeck: fenomeno scoperto da T.J. Seebeck nel 1821. In un circuito costituito da due conduttori metallici diversi collegati in serie, a temperature differenti, insorge una forza elettromotrice, detta f.e.m. termoelettrica di Seebeck o forza termoelettromotrice. La misurazione della f.e.m. che si genera nel circuito viene eseguita mediante la coppia o pinza termoelettrica: un voltmetro viene inserito in una delle due giunzioni del circuito, e, se dotato di resistenza interna sufficientemente alta, indica direttamente il valore della f.e.m. che si instaura nel circuito quando la temperatura dell'altra giunzione della coppia è diversa dalla prima. I valori rilevati per la forza termoelettromotrice sono sempre piuttosto bassi, al massimo dell'ordine di qualche mV; essa, inoltre, dipende solo dalla natura dei conduttori e dalla temperatura delle giunzioni, ma non dalla loro forma o estensione. Supponendo di mantenere la temperatura della prima giunzione costante, e di variare solo la temperatura T della seconda giunzione, il valore della derivata df/dT, dove f(T) indica la forza termoelettromotrice in funzione di T, viene detto potere termoelettrico della coppia considerata alla temperatura in esame. ║ Effetto Peltier: fenomeno scoperto da J.C.A. Peltier nel 1834. In un circuito costituito da due conduttori metallici diversi posti in serie, percorso da corrente elettrica, una delle due giunzioni si riscalda, mentre l'altra si raffredda. A causa dell'aspetto formale inverso rispetto all'effetto Seebeck, tale fenomeno è spesso noto con il nome di effetto termoelettrico inverso, considerando come diretto l'effetto Seebeck; tale terminologia, tuttavia, non è corretta, in quanto i due effetti non sono in relazione di inversione, ma di dipendenza. La quantità di calore Q ceduta o assorbita da una giunzione durante un intervallo di tempo Δt dipende dall'intensità di corrente i circolante nel circuito secondo la relazione Q = π_AB,T i Δt, determinabile sperimentalmente; la costante π_AB,T, dipendente soltanto dalla natura dei metalli A, B e dalla temperatura T di riferimento, è una caratteristica della coppia in esame, e prende il nome di coefficiente di Peltier o forza elettromotrice di Peltier. Il suo valore è piuttosto piccolo, al massimo dell'ordine di qualche decina di mV, e la sua misurazione è delicata, in quanto all'effetto Peltier è sempre sovrapposto l'effetto Joule. ║ Effetto Thomson: fenomeno scoperto da W. Thomson (lord Kelvin) nel 1854. Consiste nell'insorgere di una forza elettromotrice, detta forza elettromotrice di Thomson, in un conduttore metallico omogeneo in cui sia mantenuta una differenza di temperatura. Tale forza è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza di temperatura fra le estremità del conduttore, ma non dipende dalla forma e dall'estensione del conduttore, né dalle modalità di distribuzione della temperatura (legge del gradiente termico). La misurazione diretta della forza elettromotrice di Thomson è piuttosto difficoltosa, a causa della sua piccola entità, confrontabile con quella delle forze elettromotrici che insorgono per il rumore termico. ║ Teoria della t.: branca della fisica il cui scopo è descrivere e giustificare gli effetti termoelettrici. Tale teoria si basa essenzialmente sui fenomeni di diffusione termica dei portatori di carica nei conduttori e sui fenomeni di contatto alle giunzioni fra due conduttori di natura diversa. L'effetto Thomson trova spiegazione nel fatto che i portatori di carica (elettroni e lacune) hanno densità minore nelle zone a temperatura maggiore: pertanto, se i portatori sono elettroni, l'estremo più caldo si porta a potenziale maggiore, mentre avviene il contrario se i portatori sono lacune. L'effetto Peltier, invece, trova spiegazione nel fatto che, a causa dell'effetto Volta a ogni giunzione bimetallica, i portatori di carica si portano a un'unica energia totale in tutta la giunzione; le energie cinetiche dei portatori di carica da una parte e dall'altra della giunzione sono, pertanto, diverse, e il difetto o l'eccesso di tale energia, quando i portatori sono forzati a transitare, a causa del passaggio di corrente elettrica, si traduce in una cessione o in un assorbimento di calore. L'effetto Seebeck, infine, deriva dagli altri due, tenendo conto del fatto che gli effetti Volta alle due giunzioni di una coppia bimetallica non isoterma non si compensano più. Gli effetti termoelettrici si manifestano nei semiconduttori con le stesse modalità che nei conduttori metallici. Gli effetti termoelettrici si prestano a numerose applicazioni; la più antica è certamente costituita dalle pile termoelettriche o termopile, dispositivi in cui energia termica assorbita dall'esterno viene convertita, per effetto Seebeck, in energia elettrica, utilizzate per la misurazione dell'intensità di energia raggiante; altre applicazioni sono il moltiplicatore termoelettrico, la termopila lineare, i convertitori termoelettrici utilizzati per la conversione diretta di energia termica in energia elettrica, e i termometri elettrici a termocoppia.