Toginho Filho, D. O.; Catálogo de Experimentos do Laboratório Integrado de Física Geral

Departamento de Física • Universidade Estadual de Londrina, Agosto de 2010.

Termogerador de semicondutor – Efeito Seebeck

1 - Conceitos relacionados

Efeito termoelétrico, força eletromotriz termoelétrica, coeficiente Seebeck, elemento Peltier. 2 – Objetivos Determinar a resistência interna, o coeficiente Seebeck e a eficiência do termogerador. 3 - Método utilizado É aplicado um gradiente de temperatura ao termogerador de semicondutor, sendo medidas a tensão em circuito aberto e a corrente de curto circuito em função da diferença de temperatura. 4 - Equipamentos

1 módulo de elemento Peltier 1 fonte de tensão para aquecimento 1 resistor variável 2 multímetros digitais 2 multímetros com termopar 2 cabo RCA-PB 2 cabos PB-PB 50 cm 2 cabos PB-PB 25 cm 5 - Fundamentos Teóricos

5.1. Princípio termoelétrico

O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de potencial ε (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas, conforme diagrama apresentado na Figura 1.

Outro efeito associado é o efeito Peltier, que é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois materiais condutores (ou semicondutores) diferentes, quando submetidos a uma diferença de potencial (tensão elétrica) em um circuito fechado (conseqüêntemente, percorrido por uma corrente elétrica).

Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só, denominado efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoelétrico.

Figura 1 – Diagrama do Efeito termoelétrico em um sistema composto por um material A e outro material B.

O princípio termoelétrico indicado na Figura 2

deriva de uma propriedade física dos condutores metálicos quando submetidos a um gradiente térmico em suas extremidades. A extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor.

Figura 2 – Princípio do efeito termoelétrico.

O valor da força eletro motriz Δε depende da natureza dos materiais e do gradiente de temperatura na junção dos mesmos. Quando o gradiente de temperatura é linear, a diferença de potencial elétrico Δε = ε2 − ε1 > 0 depende apenas do material e das temperaturas T1 e T2, (T2 > T1), formalmente representado pela relação:

TS

ΔΔ

=ε (1)

sendo S o coeficiente de Seebeck, ΔT a diferença de temperatura ΔT = T2 − T1 e Δε a diferença de potencial elétrico.

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5.2. Elemento Peltier

O uso do princípio termoelétrico de junções metálicas é feito em dispositivos para medição de temperatura. Outros dispositivos que utilizam o princípio termoelétrico são feito a partir da alternância de blocos de materiais semicondutores do tipo-p e n-tipo, ligados por interconexões metálicas. Estes dispositivos são utilizados para produzir energia elétrica ou transporte de calor. É apresentado na Figura 3 o diagrama de funcionamento de um dispositivo que utiliza materiais semicondutores dopados do tipo-p e do tipo–n, em uma configuração conhecida como elemento Peltier. Na Figura 3a o efeito termoelétrico produz energia elétrica a partir de duas fontes térmicas com um gradiente de temperatura.

Figura 3 - Diagrama de funcionamento de um elemento Peltier como termogerador em a) e como bomba de calor em b).

Os portadores de carga elétrica aquecidos na fonte

quente fluem através dos elementos semicondutores até a interconexão em contato com a placa fria, transportando calor da placa quente para a placa fria. Na Figura 3b é apresentado o diagrama de funcionamento elemento Peltier como bomba de calor (efeito Peltier). Ao ser aplicada uma diferença de potencial, com a circulação de corrente elétrica através do dispositivo, os portadores de carga transportam calor do resfriador para o dissipador de calor.

6 - Montagem e procedimento experimental

Prática 1 – Coeficiente de Seebeck

1. Montar o aparato experimental, conectando a fonte de energia do cooler, a fonte para aquecimento da placa quente, o voltímetro no elemento Peltier, e os sensores de temperatura no bloco da placa quente e no dissipador do cooler;

2. Ligar a fonte de energia e ajustar a tensão em torno de ≅ 60 volts;

3. Aquecer o bloco da fonte quente até a temperatura de ≅ 70 oC;

4. Desligar fonte de energia para a placa quente esfriar gradativamente;

5. Medir a temperatura do bloco quente ( TQ), a temperatura do dissipador do cooler (TF), e a tensão em circuito aberto do elemento Peltier, em pelo menos 10 valores de temperatura;

6. Registrar os valores obtidos em uma tabela (Tabela I), com colunas para a temperatura TQ e sua incerteza, a temperatura TF e sua incerteza, a tensão ε0 de circuito aberto e sua incerteza;

Prática 2 – Corrente de curto circuito

1. Repetir os procedimentos 1 ao 3 da prática 1, ligando o amperímetro em paralelo com o elemento Peltier;

2. Desligar a fonte de energia de aquecimento para a placa quente esfriar gradativamente;

3. Medir a temperatura do bloco quente ( TQ), a temperatura do dissipador do cooler (TF), e a corrente em curto circuito i do elemento Peltier, em pelo menos 10 valores de temperatura;

4. Anotar os valores obtidos em uma tabela (Tabela II), com colunas para a temperatura TQ e sua incerteza, TF e sua incerteza, a corrente de curto circuito i e sua incerteza;

Prática 3 – Resistência interna

1. Montar o aparato experimental conectando a fonte de energia do cooler, a fonte de energia para aquecimento da placa quente, o voltímetro e o amperímetro no elemento Peltier, de acordo com o diagrama da Figura 4;

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2. Ligar o variac e ajustar a tensão para a temperatura TQ em torno de ≅ 50 oC ;

3. Mantendo a temperatura TQ e a temperatura TF constantes, variar o valor do resistor de carga para medir a corrente i no circuito e a tensão e entre os terminais do elemento Peltier, em pelo menos 10 pontos;

4. Anotar os valores obtidos em uma tabela (Tabela II), com colunas para a tensão ε entre os terminais do elemento Peltier e sua incerteza, e a corrente i através do circuito e sua incerteza;

Figura 4 - Diagrama de ligação do elemento Peltier para medir sua resistência interna.

7 - Análise

1. A partir da Tabela I, fazer o gráfico de ε0 (ΔT), sendo FQ TTT −=Δ ;

2. Ajustar os pontos experimentais com uma função apropriada;

3. Avaliar os resultados do ajuste considerando a expressão (1) para obter o coeficiente de Seebeck, fazendo os comentários relevantes;

4. A partir da Tabela II, fazer o gráfico de i (ΔT), sendo FQ TTT −=Δ ;

5. Ajustar os pontos experimentais com uma função apropriada;

6. Avaliar os resultados fazer os comentários relevantes.

7. A partir da Tabela III, fazer o gráfico de ε (i); 8. Comparar os resultados com a expressão

inRi.0 −= εε , sendo ε a tensão entre os terminais do

elemento Peltier medida pelo voltímetro, ε0 a tensão gerada pelo dispositivo em circuito aberto, i a corrente que flui através do circuito, e Rin a resistência interna do dispositivo. Fazer os comentários relevantes.

Referências Bibliográficas 1. Efeito Seebeck, disponível em:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Seebeck , acessado em 07/08/2008.

2. Thermoelectric effect, disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect , acessado em 07/08/2008.