Effetto Peltier

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L’effetto Peltier scoperto da Jean Charles Athanase Peltier nel 1834 è un fenomeno termoelettrico che si manifesta quando in un circuito elettrico costituito da due conduttori metallici (o anche semiconduttori) diversi, posti in contatto (giunzione Peltier), si fa circolare corrente elettrica e questa produce un trasferimento di calore; ovvero una delle giunzioni si riscalda (acquista calore), mentre l’altra si raffredda (cede calore). A seconda della direzione della corrente, una giunzione può emettere o ricevere calore. È l’opposto dell’effetto Seebeck.

Questo fenomeno ha permesso di sviluppare dispositivi riscaldanti o raffreddanti dette celle di Peltier.

In altre parole l’effetto Peltier causa un raffreddamento del giunto a temperatura superiore, mentre riscalda quello a temperatura inferiore, per cui i due giunti si trovano a temperature diverse rispetto a quelle che si avrebbero se non circolasse corrente.

Si deve tener presente che l’effetto Volta a ogni giunzione bimetallica, o l’analogo effetto che si manifesta quando la giunzione è costituita da almeno un semiconduttore, porta allo stabilirsi di un unico livello di Fermi, e quindi di un’unica energia totale dei portatori di carica, in tutta la giunzione, in virtù di una variazione della sola energia potenziale per l’insorgere di una conveniente differenza di potenziale di contatto; le energie cinetiche dei portatori di carica sono quindi necessariamente diverse da una parte e dall’altra della giunzione e quando, facendo scorrere una corrente, si forzano i portatori a superare la giunzione, l’eccesso o il difetto di energia cinetica dei portatori che transitano si traduce in liberazione o assorbimento di energia termica nella giunzione.

L’effetto Peltier è reversibile, ossia, se in un circuito bimetallico isotermo si fa circolare una corrente continua, dipendentemente dal suo verso, uno dei due giunti raffreddandosi sottrae calore all’ambiente, mentre l’altro riscaldandosi lo cede all’ambiente stesso. Questo effetto è assai modesto, per cui la differenza di temperatura nello stesso giunto nel caso di assenza o presenza di corrente è trascurabile.

L’effetto Peltier è diverso dall’effetto Joule, in quanto esso produce calore indipendentemente dalla direzione della corrente.

Se vogliamo misurare la quantità di calore assorbita o ceduta dalla giunzione di Peltier, dovremmo eseguire calcolo dato dalla seguente relazione:

dove I è l’intensità di corrente che attraversa la giunzione, Δt l’intervallo di tempo considerato e πAB,T è il coefficiente di Peltier (detto anche forza elettromotrice di Peltier), che rappresenta la grandezza caratteristica della giunzione metallica AB in esame, dipendente esclusivamente dalla natura dei materiali A e B (e non dalla loro geometria), nonché dalla temperatura T della giunzione stessa.

Il coefficiente di Peltier πAB è positivo se la giunzione AB cede calore all’ambiente (apporto positivo) e se la corrente (assunta di verso positivo) scorre da A verso B. Essendo l’effetto Peltier reversibile, possiamo scrivere che:

Infine, è doveroso osservare che allo sviluppo di calore per effetto Peltier si sovrappone lo sviluppo di calore per effetto Joule. La procedura di misurazione tipica, che mette a profitto la dipendenza dell’effetto Peltier dall’intensità della corrente e quella dell’effetto Joule, consiste nel misurare la quantità di calore in gioco in una giunzione dapprima con la corrente in un verso, da A a B (QAB), e poi viceversa da B verso A (QBA), sempre con la medesima intensità di corrente I e per lo stesso intervallo di tempo Δt:

dove R è la resistenza della giunzione AB, da cui:

Per avere misure sufficientemente precise occorre che il termine di effetto Joule, RI2, sia piccolo rispetto all’altro, e ciò si ottiene operando con giunzioni a bassa resistenza, cioè con giunzioni estese e fra conduttori di grossa sezione.

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