Termoeletricidade

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Um dispositivo termoelétrico mais usual é composto por duas carcaças cerâmicas, as quais servem como estrutura para preservar a integridade mecânica do módulo e como isolação elétrica para os termoelementos de telureto de bismuto tipo-n e tipo-p, conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo entre as placas cerâmicas. Os dispositivos termoelétricos mais usuais têm várias especificações para várias aplicações. As dimensões variam de 3 m de lado por 4 m de espessura, até 60 m de lado por 5 m de espessura. A taxa de calor bombeado máxima varia de 1 a 125 W. A máxima diferença da temperatura entre o lado quente e frio pode alcançar o 70◦C. Os dispositivos em geral contêm de 3 a 127 termopares. Existem alguns dispositivos termopares que são dispostos em série (cascata) funcionando em vários estágios com a finalidade de obter diferenciais de temperatura maiores (até 130◦C). A temperatura mais baixa alcançada na prática é de aproximadamente −100◦C.

Dentre os materiais de uso comum na construção da carcaça dos módulos termoelétricos, podemos citar: o óxido de alumínio (Al2O3), nitrito de alumínio (AlN) ou óxido de berílio (BeO). O (Al2O3) é mais usado devido à relação custo benefício. Os outros dois materiais cerâmicos são melhores condutores térmicos de que o (Al2O3), mas são mais caros. O cobre é usado como material condutor elétrico entre os semicondutores postados em paralelo; estes são do tipo-n composto por Bismuto-Telureto-Selenium (BiTeSe) e do tipo-p, Bismuto-Telureto-Antimônio (BiTeSb). O sistema é conectado por solda. O ponto de derretimento de uma solda é o fator limitante da temperatura da operação do módulo. Ele representa a temperatura em que ocorre o superaquecimento, onde pode ocorrer dissociação entre as soldas de cobre e semicondutores, e entre as dos próprios semicondutores, causando falha na transferência elétrica e/ou térmica.

Os dispositivos termoelétricos não podem ser usados independentemente, eles devem ser conectados com os trocadores térmicos para dissipar o calor, que constituem o sistema termoelétrico.

No que diz respeito aos semicondutores comerciais, ocorre uma classificação em relação à temperatura de operação dos mesmos. Essa classificação deve-se a possível mudança de caráter condutor com a variação da temperatura. Estipula-se para o uso de até 450 K, a aplicação de ligas cristalinas baseadas em antimônio, selênio e telúrio. Para uma faixa de operação superior de até 850 K disponibilizam-se semi-metais com ligações de telureto, e para altas faixas de operação, acima de 1300 K, utilizam-se de ligas de Silício-Germânio dopadas com Arsênio.

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Figura 1a – Sistema Termoelétrico Figura 1b – Pastilha Termoelétrica

- - CONCEITOS FISICOS QUE REGEM O FENÔMENO Ao falarmos de termoeletricidade, devemos abordar:

- Condução térmica

A condução térmica é a propriedade física, onde devido a um gradiente de temperatura no material, ocorre transferência de energia térmica por meio das moléculas e átomos que o constituem. O calor é conduzido tanto por movimentos dos portadores como pela vibração da rede cristalina.

- Perdas de Joule

A lei de Joule é a lei física que relaciona a temperatura à corrente elétrica que percorre um condutor em determinado espaço de tempo. À medida que a corrente passa pelo dispositivo encontra a resistência e consequentemente gera calor. O que gera perdas nos termopares. Essas perdas são causadas pela dispersão de portadores por imperfeições da rede.

- Efeito Seebeck

A tensão elétrica gerada em um condutor a partir do diferencial de temperatura. Se pensarmos em um tubo com gás a uma temperatura uniforme. Ao aquecermos uma das extremidades desse tubo, ocorre um aumento de temperatura na extremidade aquecida e, por conseguinte um aumento de pressão. Esse aumento de pressão do lado mais quente resulta em um movimento de fluxo do gás para a extremidade mais fria do tubo. Ao reestabelecermos o estado inicial, o fluxo volta ao normal e a pressão volta à uniformidade. Obedecendo dessa forma a lei dos gases perfeitos [p = nkT].

De forma análoga ao comportamento dos gases, se comportam os elétrons. Ao aumentarmos a temperatura de uma das extremidades de um condutor metálico, ocorre um aumento da energia cinética desse lado aquecido e, por conseguinte um fluxo de portadores de carga para o lado mais frio, gerando dessa forma uma diferença de potencial. Se ligarmos dois condutores metálicos diferentes, mediante a uma diferença de temperatura, os elétrons tendem a migrar entre os condutores, gerando uma diferença de potencial no sistema.

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Figura 2 – Principio fisico de um termopar

- Efeito Peltier

Podemos dizer que o efeito Peltier está relacionado ao surgimento de um gradiente de temperatura entre dois materiais diferentes, quando submetidos a uma tensão elétrica. Lembrando, que como citado anteriormente nesse trabalho, à direção da corrente elétrica ou fluxo elétrico é fundamental para obtermos o aquecimento ou resfriamento desejado.

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Um exemplo prático do efeito Peltier é a refrigeração termoelétrica, onde são utilizados semicondutores do tipo-n e do tipo-p. Para o resfriamento efetivo, a corrente elétrica deve passar do semicondutor tipo-n para o tipo-p. Dessa forma ocorre uma absorção de energia na forma de calor do ambiente e consequentemente a placa fria Tc, terá sua temperatura reduzida. O fenômeno ocorre devido à passagem de elétrons da parte de menor nível de energia, o semicondutor tipo-p para a parte de um nível de energia maior, o semicondutor tipo-n; através de um condutor interconectado. O calor que foi absorvido é transferido através dos semicondutores até a junção em que se encontra Th. Liberando o calor à medida que os elétrons retornam ao baixo nível de energia no semicondutor tipo- p.

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Figura 3 – Conjunto de termopares, constituídos por semicondutores do tipo-n e do tipo-p. Ligados eletricamente em série e termicamente em paralelo.

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