DFQ-FEIS – Ano 2013 Licenciatura em Física

DFQ-FEIS – Ano 2013
Licenciatura em Física - FIS 1105 - Laboratório de Física II
EXPERIMENTO IX
Medida do coeficiente termoelétrico
Objetivos:
Utilizando junções de metais diferentes que conformam um par termoelétrico, determinar o
coeficiente Seebeck de um termopar tipo K.
Introdução.
O efeito termoelétrico é a conversão direta da diferença de temperatura em
voltagem e vice-versa. Analisando este efeito na escala atômica (em especial, partículas
portadoras de carga elétrica, eletrons, etc.), quando é aplicado um gradiente de
temperatura na interface de dois metais diferentes devido à movimentação das cargas
elétricas se cria uma diferença de potencial nos terminais. Por outro lado, entre os lados
quentes e frios ocorre a passagem de uma corrente elétrica que foi induzida termicamente.
O efeito de movimentação das cargas elétricas é semelhante ao de quando se aquece um
gás, que se espande para qualquer lugar, geralmente para lugares mais frios.
O efeito de aplicar uma variação de temperatura pode ser usado para gerar eletricidade, e
este pode servir para monitorar a temperatura dos objetos. Se ao contrario aplicarmos uma
corrente este pode aquecer ou esfriar os objetos ou tratá-los termicamente. O processo
que que faz aquecer ou esfriar é determinada pela direção da corrente elétrica aplicada.
Existem três efeitos interelacionados com a termoeletricidade:
- Efeito Seebeck.
- Efeito Peltier.
- Efeito Thomsom.
Esta separação provém de descobrimentos independentes do físico francês Jean Charles
Athanase Peltier e do físico estônio-alemão Thomas Johann Seebeck.
O efeito termoelétrico se diferencia do efeito Joule porque neste se considera que o calor
gerado ocorre quando se aplica uma voltagem através de um material de certa resistencia.
e se considera usualmente como um mecanismo de perda devido à não idealidade dos
dispositivos termoelétricos).
Os efeitos Peltier-Seebeck e Thomson podem em princípio ser termodinamicamente
reversíveis, enquanto que o efeito Joule não é reversível.
Prof. Responsável: Victor Ciro Solano Reynoso
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O Efeito Seebeck
Esse efeito é um clássico exemplo de produção de uma força eletromotriz devido a
diferença de temperatura de dois metais ou ligas em contato. Ou seja, dois metais, A e B,
distintos e unidos por junções e na ausência de eletrólitos ou campos magnéticos com
diferentes temperaturas iniciais, estarão submetidos a uma diferença de potencial, que por
sua vez induzirá uma corrente elétrica que pode ser mensurada como qualquer outra.
A força eletromotriz produzida dependerá da diferença inicial de temperatura dos dois
metais, e dos parâmetros de transporte de entropia de cada metal. Isso se deve ao fato de
metais diferentes responderem de forma distinta com relação a diferenças temperaturas.
O princípio do Efeito Seebeck deriva de uma
propriedade física dos condutores metálicos
submetidos a um gradiente térmico: quando
dois condutores metálicos A e B de diferentes
naturezas são acoplados mediante um
gradiente de temperatura, os elétrons de um
metal tendem a migrar de um condutor para o
outro, gerando uma diferença de potencial
elétrico num efeito semelhante a uma pilha
eletroquímica.
Através
da
condução
térmica esse efeito é capaz de transformar
energia térmica em energia elétrica com base
numa fonte de calor mediante propriedades
físicas dos metais.
A densidade de corrente produzida nos condutores é dada por:
Na qual é a tensão e
é a condutividade elétrica. De maneira geral, o efeito
Seebeck é descrito pela criação de um campo elétrico ou força eletromotriz dado por:
Na qual é o Coeficiente Seebeck que depende das características do material, e
é
o gradiente térmico de . O coeficiente Seebeck geralmente varia de acordo com a
temperatura e fortemente com a composição do condutor. Para os materiais comuns a
temperatura ambiente, o coeficiente Seebeck fica no intervalo de -100 μV/K a +1000 μV/K.
Prof. Responsável: Victor Ciro Solano Reynoso
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O Efeito Peltier
Este consiste na produção de um gradiente de temperatura em duas junções de
dois condutores ou semicondutores de materiais diferentes quando são submetidos a
uma tensão elétrica em um circuito fechado. Esse efeito também é conhecido como calor
de Peltier. A força eletromotriz de Peltier que se precisa aplicar no material pode ser
considerado como um efeito inverso do efeito Seebeck onde ocorre o aparecimento de
uma diferença de potencial devido à diferença de temperatura num mesmo tipo de circuito.
Os efeitos Seebeck e Peltier podem ser também considerados como um só e é
denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termoelétrico. Isto é, são dois efeitos que
podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.
O calor Peltier , gerado nas junções por unidade de
tempo, é dado por:
Na qual
(
) é o coeficiente Peltier do condutor
A e (B), e a corrente elétrica do circuito. Observamos
também que os coeficientes de Peltier representam
quanto calor é gerado por unidade de carga. A relação
direta entre os efeitos Peltier e Seebeck pode ser
observada na conexão entre seus coeficientes:
.
Note que o total de calor gerado é determinado pelo
efeito Peltier, mais a influencia do efeito Joule.
De fato, o calor liberado, chamado de calor de Peltier,
é: proporcional a , e o calor liberado devido ao efeito
Joule é proporcional ao .
Quando uma corrente elétrica fluir no circuito e passar pelas junções dos metais, haverá
uma variação na temperatura dessas soldagens, numa das junções libera-se calor e na
outra, é absorvido calor.
O Efeito Thomsom
Em 1834 William Thomsom (Lord Kelvin) mostrou que se as forças eletromotrizes de
Peltier fossem as únicas fontes de energia nas soldagens do circuito fechado, então, a
força eletromotriz resultante, aquela que chamamos de força eletromotriz de
Seebeck deveria depender linearmente da temperatura.
Em muitos materiais, o coeficiente de Seebeck não é constante de acordo com a variação
da temperatura. Desse modo, uma dada variação de temperatura pode resultar numa
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mudança no coeficiente de Seebeck, e a isso podemos denominar de gradiente
do coeficiente Seebeck. Se a corrente é conduzida na direção deste gradiente, ocorrerá,
então, uma versão contínua do efeito Peltier. Ele descreve o aquecimento ou arrefecimento
de um condutor, percorrido por uma corrente, de acordo com um gradiente de temperatura.
Em outras palavras, o efeito Thomsom compreende a relação entre a taxa de produção de
calor, que pode ser maior ou menor que
, de acordo com a grandeza e direção da
corrente, da temperatura e do material.
Se a densidade de corrente
passa através
de um condutor homogêneo, o efeito
Thomson determina a produção de calor por
unidade de volume através da seguitne
relação:
Na qual
é o gradiente de temperatura
e é o coeficiente de Thomson. O coeficiente
de Thomson se relaciona com o coeficiente de
Seebeck da seguinte forma:
.
O efeito Seebeck é uma mistura do efeito Peltier e Thomson. Thomsom encontrou a
relação entre os efeitos e seus coeficientes correspondentes. A temperatura absoluta T, o
coeficiente
Peltier e o coeficiente S Seebeck estão relacionados da seguinte maneira:
Enquanto que µ relaciona-se da seguinte maneira:
Nota-se que Thomson inovou o tratamento teórico da termoeletricidade pela tentativa de
criação de uma teoria sensata sobre a termodinâmica irreversível.
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Experimental.
Materiais utilizados:
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Multímetro
Termômetro de mercúrio
Termopar tipo K, Cobre-Constantan.
Tubo de ensaio.
Cuba revestida com isopor.
Sistema de aquecimento (lamparina).
Água.
Gelo.
Procedimento
1) coloque uma das junções no referencial 0oC. Mergulhar na cuba que contem água e
gelo. A outra junção será colocada juntamente com o termômetro de mercúrio no tubo de
ensaio que contem água.
2) Aquecer lentamente com a lamparina o tubo de ensaio e realizar simultaneamente
leituras da voltagem com o multímetro e da temperatura do termômetro a cada 5 oC no
mínimo ate a água ferver. Desligar a lamparina e faça também a leitura durante o
esfriamento
3) Com os dados obtidos no item anterior, faça o gráfico da voltagem em função da
temperatura lida no termômetro. Aquecimento e esfriamento. Considerando como uma
aproximação no intervalo de temperaturas lidas a relação V=S.T Determinar pelo gráfico o
valor do coeficiente S Seebeck do sensor.
4) Faça a conversão da leitura do termopar em mV para a temperatura utilizando a tabela
do termopar tipo K. Compare estes valores com aqueles lidos pelo termômetro de
mercúrio.
5) Faça o gráfico da voltagem com a temperatura do termopar. Calcular o coeficiente
Seebeck. Compare este resultado com aquele obtido no item 3.
Questionário:
- Como poderia ser realizado um experimento para determinar o coeficiente Peltier?.
- Quais são as utilidades práticas dos efeitos termoelétricos?. Cite vários exemplos.
- No caso de materiais semicondutores, utilizando um tipo de efeito termoelétrico pode ser
determinado a densidade de portadores de carga e o seu sinal. Pesquise como pode ser
feito este experimento.
Prof. Responsável: Victor Ciro Solano Reynoso