Elementi e materiali
Gli elementi della tavola periodica e i materiali che fanno il mondo.
In sintesi
- È un materiale che converte direttamente una differenza di temperatura in tensione elettrica e viceversa, senza parti in movimento.
- È la comparsa di una tensione fra i due capi di un materiale quando hanno temperature diverse: i portatori di carica diffondono dal lato caldo a quello freddo e vi si…
- È il fenomeno inverso: facendo passare corrente in un materiale termoelettrico, questo trasporta calore da un lato all’altro, raffreddando una faccia e scaldando l’altra.
- Perché i semiconduttori drogati hanno coefficienti di Seebeck molto più alti dei metalli, e si possono realizzare nelle due varianti n e p da combinare in un modulo.
Una parte enorme dell’energia che usiamo se ne va come calore di scarto: i tubi di scappamento, i processi industriali, perfino il calore del corpo. I materiali termoelettrici promettono di recuperarne una frazione trasformando direttamente una differenza di temperatura in elettricità, senza parti in movimento.
Vediamo come una differenza di temperatura genera una tensione (l’effetto Seebeck), come funziona il processo inverso e quale numero misura la bontà di un materiale termoelettrico.
Calore che diventa tensione
Se si scalda un’estremità di un materiale conduttore tenendo fredda l’altra, fra i due capi compare una piccola differenza di tensione. Il motivo è che i portatori di carica dal lato caldo sono più agitati e tendono a diffondere verso il lato freddo, accumulandovisi: nasce così uno squilibrio di carica, cioè una tensione. È l’effetto Seebeck, alla base sia dei generatori termoelettrici sia delle termocoppie usate per misurare la temperatura.
L’effetto Seebeck
La tensione generata è proporzionale alla differenza di temperatura fra i due capi, attraverso un coefficiente caratteristico del materiale chiamato coefficiente di Seebeck. Più alto è questo coefficiente, più tensione si ottiene per ogni grado di differenza. I metalli comuni hanno coefficienti piccoli; i semiconduttori drogati, invece, possono averli molto più grandi, ed è per questo che i materiali termoelettrici migliori sono semiconduttori e non metalli.
V = S · ΔT (tensione = coefficiente di Seebeck × differenza di temperatura)
Due gambe, n e p
Un modulo termoelettrico reale unisce due tipi di semiconduttore: uno drogato n, dove i portatori sono negativi, e uno drogato p, dove sono positivi. Collegandoli in modo che il calore li attraversi in parallelo ma la corrente li percorra in serie, i loro contributi si sommano invece di annullarsi. Mettendo in serie molte di queste coppie si ottiene una tensione utilizzabile da una differenza di temperatura modesta.
Il processo inverso: l’effetto Peltier
Lo stesso dispositivo funziona al contrario. Se invece di sfruttare una differenza di temperatura gli si fa passare corrente, esso trasporta calore da un lato all’altro, raffreddando una faccia e scaldando l’altra: è l’effetto Peltier. È il principio dei frigoriferi a stato solido, silenziosi e senza gas né compressore, usati per raffreddare componenti elettronici, piccoli frigo da campeggio e strumenti scientifici di precisione.
La figura di merito
La qualità di un materiale termoelettrico si riassume in un unico numero, la figura di merito, che combina tre proprietà: un alto coefficiente di Seebeck, una buona conducibilità elettrica e — sorprendentemente — una bassa conducibilità termica. Quest’ultima serve a mantenere la differenza di temperatura senza che il calore “scappi” subito dall’altra parte. Il problema è che queste tre proprietà sono difficili da migliorare insieme, e questo limita da decenni l’efficienza dei termoelettrici.
ZT = S² σ T / κ (figura di merito: Seebeck, conducibilità elettrica e termica)
Il difficile compromesso
Il nodo è che alta conducibilità elettrica e bassa conducibilità termica tendono ad andare insieme nei materiali semplici, perché spesso sono gli stessi portatori a trasportare carica e calore. La ricerca punta a “disaccoppiarle”: si usano materiali complessi che ostacolano il viaggio del calore (le vibrazioni del reticolo) lasciando scorrere bene la corrente, per esempio con nanostrutture o composti contenenti atomi pesanti. Migliorare anche di poco la figura di merito significherebbe rendere economicamente conveniente recuperare quantità enormi di calore oggi sprecato.
| Effetto | Ingresso | Uscita / uso |
|---|---|---|
| Seebeck | differenza di temperatura | tensione: generazione, termocoppie |
| Peltier | corrente elettrica | trasporto di calore: raffreddamento |
Dove si usano davvero
I materiali termoelettrici hanno già applicazioni consolidate, anche se la loro efficienza resta modesta. La più affascinante è nelle sonde spaziali lontane dal Sole, dove i pannelli solari non bastano: lì un generatore termoelettrico trasforma in elettricità il calore prodotto dal decadimento di un materiale radioattivo, funzionando in silenzio e senza manutenzione per decenni. Sulla Terra si studiano per recuperare il calore di scarto dei tubi di scappamento delle auto e dei camini industriali, convertendone una parte in corrente utile. Nel verso Peltier, invece, sono diffusissimi per il raffreddamento di precisione: tengono a temperatura costante i sensori delle fotocamere scientifiche, raffreddano piccoli frigoriferi portatili e componenti elettronici delicati, con il vantaggio di non avere parti in movimento, gas o rumore, e di poter invertire il funzionamento semplicemente invertendo la corrente. Il vero freno alla loro diffusione su larga scala resta l’efficienza limitata e il costo dei materiali migliori, spesso a base di elementi rari o tossici: per questo gran parte della ricerca punta a trovare materiali termoelettrici efficienti fatti di elementi comuni e innocui, che renderebbero conveniente recuperare il calore sprecato ovunque.
Domande frequenti
Che cos’è un materiale termoelettrico?
È un materiale che converte direttamente una differenza di temperatura in tensione elettrica e viceversa, senza parti in movimento. Serve a recuperare calore di scarto trasformandolo in elettricità e, al contrario, a raffreddare componenti facendovi passare corrente.
Che cos’è l’effetto Seebeck?
È la comparsa di una tensione fra i due capi di un materiale quando hanno temperature diverse: i portatori di carica diffondono dal lato caldo a quello freddo e vi si accumulano. La tensione è proporzionale alla differenza di temperatura tramite il coefficiente di Seebeck.
Che cos’è l’effetto Peltier?
È il fenomeno inverso: facendo passare corrente in un materiale termoelettrico, questo trasporta calore da un lato all’altro, raffreddando una faccia e scaldando l’altra. È il principio dei frigoriferi a stato solido, senza gas né compressore.
Perché si usano semiconduttori e non metalli?
Perché i semiconduttori drogati hanno coefficienti di Seebeck molto più alti dei metalli, e si possono realizzare nelle due varianti n e p da combinare in un modulo. I metalli generano tensioni troppo piccole per la produzione di energia.
Che cos’è la figura di merito?
È il numero che misura la bontà di un materiale termoelettrico combinando coefficiente di Seebeck, conducibilità elettrica e conducibilità termica. Serve un alto Seebeck, alta conduzione elettrica e bassa conduzione termica: un compromesso difficile da ottenere insieme, ed è proprio su questo equilibrio che si concentra gran parte della ricerca sui nuovi materiali termoelettrici.
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Avvertenza. Questo articolo ha finalità informative e divulgative e riflette la normativa vigente alla data di pubblicazione; le scadenze indicate possono essere modificate da provvedimenti successivi. Non sostituisce la verifica tecnica del singolo prodotto e del caso specifico. A cura della Redazione di ChimicaConforme.