Coefficient Seebeck

L’effet Seebeck est principalement utilisé pour mesurer les températures avec des thermocouples et prend de plus en plus d’importance dans la conversion de la chaleur perdue en énergie électrique par des générateurs thermoélectriques. Les processus sont réversibles. Le processus inverse, dans lequel les différences de tension génèrent des différences de température, est l’effet Peltier, utilisé pour le refroidissement en microélectronique et en nanotechnologies.

Une mesure centrale pour évaluer l’efficacité des matériaux thermoélectriques est le coefficient de qualité ZT, un indice sans dimension qui décrit la performance d’un matériau. La valeur ZT augmente avec le carré du coefficient Seebeck, la température de fonctionnement absolue moyenne et la conductivité électrique, tandis qu’elle diminue avec la conductivité thermique spécifique. Ces grandeurs dépendent de la température et les propriétés des matériaux doivent être prises en compte dans le calcul du coefficient de qualité en fonction de la température. L’équation de définition est la suivante :

Pour déterminer la valeur ZT des conducteurs électriques et des semi-conducteurs, on utilise des instruments de mesure précis, tels que ceux proposés par Linseis, afin de mesurer les propriétés des matériaux nécessaires. Si la différence de température est faible et que les coefficients Seebeck peuvent être considérés comme constants, la formule de tension se simplifie en :

S_A et S_B représentent les coefficients Seebeck des deux matériaux, tandis que T₁ et T₂ représentent les températures aux deux points de contact. La tension résulte de la diffusion thermique, au cours de laquelle des électrons riches en énergie se diffusent au point de contact chaud en direction du conducteur plus froid. Il en résulte un transport constant d’électrons du conducteur positif vers le conducteur négatif, avec un transfert d’énergie thermique en plus de l’énergie électrique. Ce transfert de chaleur réduit toutefois l’efficacité de l’effet Seebeck.

Le rendement d’un thermocouple est d’autant plus élevé que la conductivité électrique est grande et que la conductivité thermique du matériau utilisé est faible. Un critère déterminant pour les propriétés d’un conducteur thermoélectrique est ce que l’on appelle la « figure of merit » (ZT). Ce chiffre tient déjà compte de toutes les grandeurs pertinentes comme la température, le coefficient Seebeck, la conductivité thermique et la conductivité électrique.

Dans l’application technique des thermocouples, deux mécanismes interagissent pour produire une tension mesurable. D’une part, un gradient de température provoque une diffusion des porteurs de charge de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide du conducteur, ce qui entraîne une tension de l’ordre du millivolt et dépend du coefficient Seebeck. D’autre part, l’utilisation d’un deuxième conducteur d’un autre matériau crée un autre gradient de tension au point de contact, car les deux matériaux se distinguent par leur coefficient Seebeck.