Coeficiente Seebeck

El efecto Seebeck se utiliza principalmente para medir temperaturas con termopares y cada vez es más importante en la conversión de calor residual en energía eléctrica mediante generadores termoeléctricos. Los procesos son reversibles. El proceso inverso, en el que las diferencias de tensión generan diferencias de temperatura, es el efecto Peltier, que se utiliza para la refrigeración en microelectrónica y nanotecnología.
Una medida clave para evaluar la eficiencia de los materiales termoeléctricos es la figura de mérito ZT, un indicador adimensional que describe el rendimiento de un material. El valor ZT aumenta con el cuadrado del coeficiente Seebeck, la temperatura media absoluta de funcionamiento y la conductividad eléctrica, mientras que disminuye con la conductividad térmica específica. Estas variables dependen de la temperatura y las propiedades del material deben incluirse en el cálculo del factor de mérito en función de la temperatura. La ecuación de definición es la siguiente:

Para determinar el valor ZT de conductores eléctricos y semiconductores, se utilizan dispositivos de medición precisos como los que ofrece Linseis para medir las propiedades necesarias del material. Si la diferencia de temperatura es pequeña y los coeficientes Seebeck pueden considerarse constantes, la fórmula de la tensión se simplifica:

Aquí S_A y _SB representan los coeficientes Seebeck de los dos materiales, mientras que _T1 y _T2 representan las temperaturas en los dos puntos de contacto. La tensión se crea por difusión térmica, en la que los electrones de alta energía se difunden en el punto de contacto caliente en dirección al conductor más frío. Esto conduce a un transporte constante de electrones del conductor positivo al negativo, por lo que se transfiere energía térmica además de energía eléctrica. Sin embargo, esta transferencia de calor reduce la eficacia del efecto Seebeck.

Cuanto mayor sea la conductividad eléctrica y menor la conductividad térmica del material utilizado, mayor será la eficacia de un termopar. Un criterio decisivo para las propiedades de un conductor termoeléctrico es la llamada «cifra de mérito» (ZT). Esta cifra ya tiene en cuenta todas las variables relevantes, como la temperatura, el coeficiente Seebeck, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.

En la aplicación técnica de los termopares, dos mecanismos actúan conjuntamente para generar una tensión medible. En primer lugar, un gradiente de temperatura provoca una difusión de portadores de carga del extremo caliente al extremo frío del conductor, lo que da lugar a una tensión en el rango de los milivoltios y depende del coeficiente Seebeck. En segundo lugar, el uso de un segundo conductor hecho de un material diferente crea otro gradiente de tensión en el punto de contacto, ya que los dos materiales difieren en sus coeficientes Seebeck.