Effetto Peltier

L’effetto Peltier, scoperto dal fisico francese Jean Peltier nel 1834, unitamente all’effetto Thomson e all’effetto Seebeck, è uno dei tre tipi di effetti basati sul fenomeno termoelettrico. I dispositivi termoelettrici convertono l’energia termica da un gradiente di temperatura in energia elettrica secondo l’effetto Seebeck o l’energia elettrica in un gradiente di temperatura secondo l’effetto Peltier.

La produzione di elettricità dal calore è chiamata effetto Seebeck , dal nome del fisico tedesco Thomas J. Seebeck, che scoprì il fenomeno negli anni ’20 del 1800. La termoelettricità si verifica in un circuito elettrico in cui due conduttori o semiconduttori dissimili sono uniti alle loro estremità.

Quando una delle giunzioni si trova a una temperatura diversa dall’altra, nel circuito scorrerà una corrente elettrica continua. Per un dato circuito termoelettrico che funziona in un dato intervallo di temperatura, l’entità della corrente dipende principalmente dalla differenza di temperatura tra le due giunzioni; in generale, maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la corrente.

L’effetto Seebeck può essere invertito quando viene inviata una corrente continua attraverso un circuito in cui due conduttori o semiconduttori dissimili sono uniti alle loro estremità, si verificherà un riscaldamento in una delle giunzioni e un raffreddamento nell’altra: questo effetto termoelettrico è chiamato effetto Peltier.

L’effetto Peltier può essere verificato sperimentalmente utilizzando due pezzi di filo di rame collegati ai due terminali di una batteria e interconnessi con un filo di bismuto. Quando il circuito è chiuso, si sviluppa un gradiente di temperatura e alla giunzione dove la corrente fluisce dal rame al bismuto, la temperatura aumenta, mentre alla giunzione dove la corrente passa dal bismuto al rame, la temperatura diminuisce.

Equazione fondamentale dell’effetto Peltier

L’effetto Peltier si verifica per il fatto che l’energia media degli elettroni coinvolti nel trasferimento di corrente elettrica è diversa tra i due diversi materiali e dipende dall’energia degli elettroni, dalla loro concentrazione nel conduttore e dalla loro dispersione sotto l’influenza della tensione applicata.

Alla giunzione di due conduttori dissimili, gli elettroni passano da un conduttore all’altro e, a seconda della direzione del flusso di carica elettrica, questi elettroni trasferiscono la loro energia in eccesso agli atomi circostanti o assorbono energia da essi pertanto nel primo caso, il calore viene dissipato, mentre nel secondo, viene assorbito.

L’equazione fondamentale che governa l’effetto Peltier è data da:

Q = ± π_AB it

Dove:

Q è il calore assorbito o rilasciato nella giunzione ed è misurato in Joule
π_AB è il coefficiente di Peltier misurato in Volt della giunzione tra i due materiali A e B
i è la corrente elettrica che passa attraverso la giunzione ed è misurata in Ampere
t è il tempo misurato in secondi in cui passa la corrente

Pertanto il coefficiente di Peltier è dato da: π_AB = Q/it ed è numericamente uguale alla f.e.m. creata nelle giunzioni. Il coefficiente Peltier π_AB dipende dalla direzione del flusso di calore tra le giunzioni, dalla coppia di materiali utilizzata e dalla temperatura di giunzione. I coefficienti di Peltier variano da 3 V per i metalli, 30 V per i semiconduttori molto drogati, fino a 300 V per i semiconduttori leggermente drogati.

Il coefficiente di Peltier è un parametro fondamentale nella formula dell’effetto Peltier ed è generalmente espresso come: π_AB = π_A – π_B dove ove π_A e π_B sono rispettivamente i coefficienti di Peltier dei materiali A e B.

Applicazioni dell’effetto Peltier

L’effetto Peltier è la base di molti moderni dispositivi di refrigerazione termoelettrica in cui è presente una coppia termoelettrica composta da un materiale semiconduttore di tipo n e uno di tipo p collegati tramite un contatto elettrico metallico.

L’effetto Peltier è utilizzato nelle pompe di calore, che rimuovono calore o aggiungono utilizzando un dispositivo allo stato solido controllato e reversibile Le pompe di calore allo stato solido che utilizzano l’effetto Peltier trasferiscono efficacemente il calore da un lato del dispositivo all’altro.

Ciò significa che un lato del dispositivo produrrà freddo mentre l’altro lato produrrà calore. Il lato riscaldato è spesso collegato a un dissipatore di calore in modo che il dispositivo possa essere utilizzato per il raffreddamento.

Le applicazioni dei refrigeratori termoelettrici nei prodotti di consumo spaziano dai refrigeratori portatili agli umidificatori, ai refrigeratori per bevande e ai frigoriferi. Nel campo scientifico, sono usati, tra l’altro, nei satelliti, nelle astronavi, nei componenti dei computer come i refrigeratori per CPU, per raffreddare i laser e utilizzati nelle reti di comunicazione in fibra ottica.

L’effetto Peltier viene utilizzato nelle navicelle spaziali per bilanciare gli effetti della luce solare su entrambi i lati della navicella aiutando a dissipare il calore dovuto alla luce solare diretta su un lato della navicella verso l’altro lato che non riceve luce solare ed è quindi molto più freddo.

L’effetto Peltier è utilizzato anche da molti termociclatori, strumenti di laboratorio in grado di condurre automaticamente determinate variazioni cicliche di temperatura utilizzati per amplificare il DNA tramite la reazione a catena della polimerasi che richiede il riscaldamento e il raffreddamento ciclici dei campioni a temperature specifiche.

Inoltre l’effetto Peltier sistemi di gestione termica della batteria (BTMS) che garantiscono che la temperatura all’interno della batteria sia mantenuta entro valori ottimali e può potenzialmente sostituire il condizionatore d’aria dei veicoli elettrici.

Vantaggi e svantaggi

Il vantaggio principale dell’effetto Peltier è che consente di costruire dispositivi di raffreddamento e di riscaldamento che non presentano parti mobili e, pertanto, hanno molte meno probabilità di guastarsi rispetto ai dispositivi di raffreddamento e riscaldamento convenzionali e inoltre, richiedono una scarsa manutenzione.

I vantaggi della conversione energetica nei dispositivi di raffreddamento allo stato solido sono la compattezza, la silenziosità e il riscaldamento o raffreddamento localizzato e possono teoricamente raggiungere temperature fino a -80 °C.

Lo svantaggio principale dell’effetto Peltier è la scarsa efficienza. Infatti la corrente che scorre tende a generare una quantità significativa di calore, che si aggiunge alla dissipazione del calore complessiva. Nelle applicazioni di grandi dimensioni, ciò si traduce in una quantità eccessiva di calore e, per risolvere questo problema, è necessario impiegare ventole aggiuntive.

Tali dispositivi, inoltre, se sono raffreddati eccessivamente, si può formare condensa, che può causare un cortocircuito ed inoltre consumano anche molta elettricità, il che può rendere molto costoso il loro utilizzo per applicazioni su larga scala.

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