Objectivo

Objectivos
Verificação do efeito de Seebeck. Calibração de um termopar.
Material necessário
Termopar de NiCr-Konst
Microvoltímetro
Travessa de vidro
2 tubos de ensaio
Água (gelo e líquida)
2 termómetros
Introdução teórica
Em 1822, Seebeck fez referência pela primeira vez na Academia das Ciências
da
Prússia
ao
fenómeno
termoeléctrico
que
pretendemos
estudar.
Consideremos dois condutores diferentes ligados de forma a termos um circuito
fechado:
T1
T2
Se as junções estão a temperaturas diferentes verifica-se que há uma
corrente eléctrica no circuito. Na verdade, Seebeck não mediu esta corrente mas
sim o campo magnético por ela criado (lei de Biot-Savart).
Só trinta e oito anos mais tarde é que Lord Kelvin retomou este facto
experimental e estudou-o do ponto de vista da termodinâmica.
O efeito de Seebeck não é o único efeito que influencia a corrente medida.
Pode-se identificar cinco efeitos básicos que acontecem em simultâneo. Eles
são os efeitos de Joule, Thomson, Peltier, Fourier e Seebeck.
Podemos resumir cada um destes efeitos da seguinte forma:
Joule - um circuito sujeito a uma diferença de potencial V e percorrido por
uma corrente eléctrica I dissipa uma quantidade de calor por unidade de tempo
igual a VI.
Thomson - há transferência de calor num condutor eléctrico homogéneo
atravessado por uma corrente eléctrica I com cada um dos extremos a
temperatura (T) diferente. O sentido desta transferência depende de a corrente
fluir de quente para frio ou de frio para quente. A equação que descreve este
fenómeno é:
dQ
dT 
I
dx 
dt
em que:
dQ
é a taxa de transferência de calor ao longo do comprimento do
dt
condutor,  é o coeficiente de Thompson do condutor e
dT
é o gradiente de
dx
temperatura ao longo da direcção da corrente eléctrica x.
Peltier - se uma corrente atravessa uma junção de condutores diferentes há
transferência de calor entre a junção e o ambiente. Em particular se tivermos um
circuito análogo ao atrás representado, a passagem de uma corrente vai
“induzir” uma diferença de temperatura entre as duas junções. Esta diferença de
temperatura é directamente proporcional á corrente.
Fourier - num material sujeito a uma diferença de temperatura há uma
transferência de calor de forma a contrariá-la de acordo com a terceira lei da
termodinâmica. Este é o fenómeno de condução térmica e é descrito pela
seguinte equação:
dQ
dT 
kA
dx 
dt
em que
dQ
é a taxa de transferência de calor ao longo do comprimento do
dt
condutor térmico, k é a condutividade térmica do material, A é a área do
condutor exposta á diferença de temperatura e
dT
é o gradiente de temperatura
dx
ao longo da direcção de transferência de calor x.
Seebeck - A concentração de electrões livres num metal condutor é da ordem
de 1028 e-/m3. Este valor médio é função do tipo de metal. Assim, quando dois
metais estão em contacto, os electrões tendem a passar do metal de maior
concentração para o de menor concentração. O resultado é uma diferença de
potencial entre os dois metais da junção. Essa força electromotriz aumenta com
a temperatura da junção.
Voltando ao circuito inicial, sabemos então que se temos ambas as junções à
mesma temperatura a situação é equivalente a termos duas fontes de igual
diferença de potencial em oposição. Logo a corrente medida é nula.
Isto já não acontece se houver uma diferença de temperatura entre as
junções. A diferença de potencial “gerada” por cada junção vai ser diferente. Há
por isso uma corrente eléctrica no circuito.
Um termopar é uma aplicação deste conceito, com o intuito de medir
temperaturas.
Nas combinações de metais vulgarmente usadas a força electromotriz é
directamente proporcional á diferença de temperatura (T) quando esta está
entre zero e cem graus Celsius. Se T é menor que mil graus Celsius esta
relação passa a ser quadrática. Finalmente para T maior que mil graus Celsius
a relação entre a força electromotriz e a diferença de temperatura é cúbica. As
combinações mais usuais de metais são: cobre - constantan (Cu - Const), níquel
- níquel crómio (Ni - NiCr) e ferro - constantan (Fe - Const). Combinações de
semicondutores são também utilizadas.
O potencial termoeléctrico depende grandemente da pureza dos metais e da
composição das ligas. As influências mecânicas e térmicas nos materiais e a
limpeza das junções também têm a sua importância.
Se pretendemos medir uma diferença de temperatura muito pequena, a força
electromotriz produzida por um termopar pode não ser mensurável. Nestes
casos construimos termopilhas. Estas são simplesmente associações em série
de vários termopares.
Montagem experimental
Na nossa experiência não vamos reproduzir o tipo de circuito usado por
Seebeck. Em vez disso faremos o seguinte circuito:
Procedimento
O reservatório à temperatura T2 será cheio de gelo e é a temperatura de
referência. É importante verificar para cada medição se há variação desta
temperatura e tabelar o seu valor.
Varie a temperatura do líquido no outro reservatório entre 00C e cerca de
700C. Anote a força electromotriz correspondente a cada diferença de
temperatura medida. É muito importante que a tensão medida quando a
diferença de temperatura é nula seja zero. Para isso não se esqueça de fazer
um “reset” do microvoltímetro para esta situação.