Effet Seebeck

Effet Seebeck

L’effet Seebeck est un effet thermoélectrique, découvert par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Celui-ci remarqua que l'aiguille d'une boussole est déviée lorsqu’elle est placée entre deux conducteurs de natures différentes et dont les jonctions ne sont pas à la même température T (voir figure).

Expérience de Seebeck

Il expliqua ce phénomène par l’apparition d’un champ magnétique, et crut ainsi fournir une explication à l'existence du champ magnétique terrestre. Ce n’est que bien plus tard que fut comprise l’origine électrique du phénomène : une différence de potentiel apparaît à la jonction de deux matériaux soumis à une différence de température. L’utilisation la plus connue de l’effet Seebeck est la mesure de température à l’aide de thermocouples. Cet effet est également à la base de la génération d'électricité par effet thermoélectrique.

Sommaire

Principes

La figure suivante montre le circuit thermoélectrique de base :

Montage thermoélectrique de base

Deux matériaux conducteurs de natures différentes a et b sont reliés par deux jonctions en X et W. Dans le cas de l’effet Seebeck, une différence de température dT est appliquée entre W et X, ce qui entraîne l’apparition d’une différence de potentiel dV entre Y et Z. En circuit ouvert, le coefficient Seebeck du couple de matériaux, Sab, ou pouvoir thermoélectrique est défini par :

S_{ab}=\frac{dV}{dT}\ =\frac{V_{Y}-V_{Z}}{T_{W}-T_{X}}\,

Si pour TW > TX la différence de potentiel est telle que VY>VZ, alors Sab est positif.

Le coefficient Seebeck de chacun des matériaux est lié au coefficient du couple par la relation :

S_{ab}= S_b-S_a\,

Le coefficient Seebeck s'exprime en V.K-1 (ou plus généralement en µV.K-1 au vu des valeurs de ce coefficient dans les matériaux usuels).

William Thomson (Lord Kelvin) a montré que le coefficient Seebeck est lié aux coefficients Peltier et Thomson selon :

  • \Pi_{ab}=S_{ab}T \,
  • \tau_a=T\frac{dS_{a}}{dT} \,

où Π est le coefficient Peltier et τ le coefficient Thomson.

Mesure du coefficient Seebeck

Dans la pratique, le coefficient Seebeck ne peut être mesuré que pour un couple de matériaux. Il est donc nécessaire de disposer d'une référence. Ceci est rendu possible par la propriété des matériaux supraconducteurs d’avoir un coefficient Seebeck S nul. En effet, l’effet Seebeck est lié au transport d’entropie par les porteurs de charge au sein du matériau (électrons ou trous), or ils ne transportent pas d’entropie dans l’état supraconducteur. Historiquement, la valeur de Sab mesurée jusqu’à la température critique de Nb3Sn (Tc=18K) pour un couple Pb-Nb3Sn permit d’obtenir SPb jusqu’à 18K. La mesure de l’effet Thomson jusqu’à la température ambiante permit ensuite d’obtenir SPb sur toute la gamme de température, ce qui fit du plomb un matériau de référence.

Dispositif expérimental

Le principe de la détermination du coefficient Seebeck repose sur la détermination d'une différence de potentiel induite par une différence de température connue (voir schéma).

exemple de dispositif de mesure de coefficient Seebeck

Un échantillon dont le coefficient Seebeck est inconnu (Sinconnu) est fixé entre un bain thermique à la température T, qui évacue de la chaleur, et une chaufferette à la température T+dT qui fournit de la chaleur à l'échantillon. Celui-ci est donc soumis à un gradient de température, et une différence de potentiel apparaît. Deux thermocouples de même nature, généralement un alliage or+fer, du chromel ou du constantan, dont le coefficient Seebeck est connu (Sref) sont fixés sur l'échantillon aux points a et b. Ces thermocouples permettent à la fois de mesurer les potentiels Va et Vb et les températures Ta et Tb. Le coefficient Seebeck du matériaux est alors obtenu par la relation :

S_{inconnu}=S_{ref}-\frac{V_a-V_b}{T_a-T_b} \,

Coefficient Seebeck de quelques métaux à 300K

Z
 Élément
 Symbole
 coefficients Seebeck en µV/K
3 Lithium Li 4.3
4 Béryllium Be -2.5
11 Sodium Na -2.6
12 Magnésium Mg -2.1
13 Aluminium Al -2.2
19 Potassium K -5.2
20 Calcium Ca 1.05
21 Scandium Sc -14.3
22 Titane Ti -2
23 Vanadium V 2.9
24 Chrome Cr 5
25 Manganèse Mn -2.5
26 Fer Fe 11.6
27 Cobalt Co -8.43
28 Nickel Ni -8.5
29 Cuivre Cu 1.19
30 Zinc Zn 0.7
31 Gallium Ga 0.5
37 Rubidium Rb -3.6
38 Strontium Sr -3
39 Yttrium Y -5.1
40 Zirconium Zr 4.4
41 Niobium Nb 1.05
42 Molybdène Mo 0.1
43 Technétium Tc -
44 Ruthénium Ru 0.3
45 Rhodium Rh 0.8
46 Palladium Pd 1.1
47 Argent Ag 0.73
48 Cadmium Cd -0.05
49 Indium In 0.56
50 Étain Sn -0.04
55 Césium Cs -
56 Baryum Ba -4
57 Lanthane La 0.1
58 Cérium Ce 13.6
59 Praséodyme Pr -
60 Néodyme Nd -4
61 Prométhium Pm -
62 Samarium Sm 0.7
63 Europium Eu 5.3
64 Gadolinium Gd -4.6
65 Terbium Tb -1.6
66 Dysprosium Dy -4.1
67 Holmium Ho -6.7
68 Erbium Er -3.8
69 Thulium Tm -1.3
70 Ytterbium Yb 5.1
71 Lutécium Lu -6.9
72 Hafnium Hf 0
73 Tantale Ta 0.7
74 Tungstène W -4.4
75 Rhénium Re -1.4
76 Osmium Os -3.2
77 Iridium Ir 1.42
78 Platine Pt -
79 Or Au 0.82
80 Mercure Hg -
81 Thallium Tl 0.6
82 Plomb Pb -0.58
83 Bismuth Bi -
90 Thorium Th 0.6
91 Protactinium Pa -
92 Uranium U 3
93 Neptunium Np 8.9
94 Plutonium Pu 12

Voir aussi


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