construction module Peltier

Définition

La figure ci-dessous montre le circuit thermoélectrique de base.

Circuit thermoélectrique de base.png

Deux matériaux conducteurs de natures différentes a et b sont reliés par deux jonctions en X et W. Dans le cas de l’effet Peltier, un courant électrique  est imposé au circuit, en plaçant par exemple une source de courant électrique entre Y et Z, ce qui entraîne une libération de chaleur  à une jonction et une absorption de chaleur à l’autre jonction2. Le coefficient Peltier relatif au couple de matériaux a et b est défini comme la puissance thermique  dégagée ou absorbée par unité d’intensité de courant 1. Il s’exprime en volts1.

Πab est alors défini par :      

Si un courant imposé dans le sens Y→W→X→Z entraîne une libération de chaleur en W et une absorption en X, alors Πab est positif.

Théorie

L’effet Peltier est lié au transport d’entropie par les porteurs de charge (électrons ou trous) au sein du matériau. Ainsi lorsqu’il y a dans le schéma de principe ci-dessus une absorption de chaleur en X et une libération en W, cela est dû au fait que les électrons ou les trous perdent de l’entropie en passant du matériau b au matériau a en W (il y a donc libération de chaleur), tandis que réciproquement ils regagnent de l’entropie en passant du matériau a au matériau b en X (il y a donc absorption de chaleur), car il y a conservation d’énergie, c’est le premier principe de la thermodynamique.

Applications

Schéma d’une cellule à effet Peltier
L’effet Peltier est utilisé comme technique de réfrigération. Elle est utilisée dans des domaines où une grande précision et fiabilité sont demandés : recherche, médical, spatial, militaire, etc…

Effet réciproque : l’effet Seebeck

Article détaillé : Effet Seebeck.

On peut noter que le phénomène inverse existe : une différence de température entre les deux jonctions W et X peut induire une différence de potentiel électrique, c’est l’effet Seebeck1.

Lord Kelvin a montré que les effets Peltier et Seebeck sont liés, et que le coefficient Peltier est lié au coefficient Seebeck S par la relation :  

où T est la température (en kelvins) de la jonction considérée.

L’effet réciproque permet d’induire un courant électrique lors d’un déplacement de chaleur sur cet assemblage puisque la conduction thermique ne se produit pas à la même vitesse entre les deux conducteurs, les porteurs de charge (qui sont aussi les porteurs d’énergie thermique) se déplaçant plus vite dans une direction plutôt qu’une autre, ce qui induit une différence de charge suffisante pour induire une différence de potentiel permettant d’alimenter un courant électrique. Cela permet d’en faire une pile électrique alimentée par une source de chaleur même très faible (comme la chaleur corporelle humaine), mais suffisante pour allumer une lampe de poche.

Source Wikipédia Mai 2018