Effet Seebeck

Effet Seebeck utilisé dans un pyromètre (appareil de mesure physique des hautes températures) fabriqué a partir de la mise en série de thermocouple (ici 3 thermocouples cuivre / fer).

Un circuit thermoélectrique composé de matériaux de différents coefficients Seebeck (souvent deux semi-conducteurs dopés p et n), configuré comme un générateur thermoélectrique. Si la résistance de charge en bas est remplacée par un voltmètre, le circuit fonctionne alors comme un thermocouple détectant la température.

L’effet Seebeck est un effet thermoélectrique, par lequel une différence de potentiel apparaît à la jonction de deux matériaux soumis à une différence de température. On peut ainsi, dans un circuit constitué de différents matériaux étant à la fois des conducteurs électriques et thermiques, produire une source de tension à partir d'un gradient de température. Le processus étant réversible, cad. produire un gradient de température à partir d'une tension électrique dans le même type circuit, il est appelé effet Peltier.

Expérience de Seebeck.

Ce phénomène physique est découvert en 1787 par Alessandro Volta et redécouvert par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Ce dernier remarque 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). Il explique alors ce phénomène par l’apparition d’un champ magnétique, et croit 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. La découverte de l'effet inverse sera faite en 1834 par le physicien Jean-Charles Peltier.

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.

Principes

Montage thermoélectrique de base.

La figure ci-contre montre le circuit thermoélectrique de base. Deux matériaux conducteurs de natures différentes a et b sont reliés par deux jonctions situées aux points 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, S_ab, ou pouvoir thermoélectrique, est défini par :

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

Si pour T_W > T_X la différence de potentiel est telle que V_Y > V_Z, alors S_ab 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_ab est le coefficient Peltier du couple, T est la température (en kelvins) de la jonction considérée, et τ_a le coefficient Thomson d'un des matériaux.

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 S_ab mesurée jusqu’à la température critique de Nb₃Sn (T_c=18 K) pour un couple Pb-Nb₃Sn permit d’obtenir S_Pb jusqu’à 18 K. La mesure de l’effet Thomson jusqu’à la température ambiante permit ensuite d’obtenir S_Pb 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 (S_inconnu) 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 (S_ref) sont fixés sur l'échantillon aux points a et b. Ces thermocouples permettent à la fois de mesurer les potentiels V_a et V_b et les températures T_a et T_b. Le coefficient Seebeck du matériau 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 300 K

Il est notable que deux métaux très courants et bon marché ont des coefficients Seebeck parmi les plus élevés en valeur absolue, mais de signes opposés : le fer ( 11,6 µV/K) et le nickel (−8,5 µV/K). Ils constituent une paire a priori idéale pour la constitution d'un générateur thermoélectrique : le fer est sensible à la corrosion, mais une couche de nickel déposée dessus le protège, ce qui permet de constituer une paire diélectrique à partir d'une seule et unique fine plaque de fer nickelé. Dans certaines applications, l'efficacité est augmentée en les superposant en sandwich avec un bon conducteur électrique comme le cuivre qui sert à récupérer le potentiel induit dans les plaques de fer nickelé.

Toutefois le thermocouple obtenu a une résistance relativement élevée et induit également un effet ferromagnétique qui génère une impédance élevée. En pratique, un tel assemblage permet d'en faire un capteur de température fonctionnant à faible puissance et en courant quasi-continu pour alimenter le drain d'un transistor amplificateur de puissance, destiné à en faire un instrument de mesure de température. Toutefois des coefficients beaucoup plus élevés sont obtenus avec des semi-conducteurs dopés à structure cristalline complexe mais régulière (donc non amorphe, pour une bonne conductivité électrique) et dont le dopage ne rompt pas cette structure.

La table ci-dessous n'est valable que pour les composés purs (non dopés) dans leur structure cristalline normale. Elle prend comme métal de référence le Hafnium, qui est un des meilleurs conducteurs existants à température ambiante (~ 300 K) et dont le coefficient de Seebeck est alors fixé à zéro, même s'il est difficile à produire très pur (il reste souvent significativement dopé au zirconium).

Numéro atomique	Élément	Symbole	Coefficient Seebeck en µV/K
03	Lithium	Li	04,30
04	Béryllium	Be	−02,50
11	Sodium	Na	−02,60
12	Magnésium	Mg	−02,10
13	Aluminium	Al	−02,20
19	Potassium	K	−05,20
20	Calcium	Ca	01,05
21	Scandium	Sc	−14,30
22	Titane	Ti	−02,00
23	Vanadium	V	02,90
24	Chrome	Cr	05,00
25	Manganèse	Mn	−02,50
26	Fer	Fe	11,60
27	Cobalt	Co	−08,43
28	Nickel	Ni	−08,50
29	Cuivre	Cu	01,19
30	Zinc	Zn	00,70
31	Gallium	Ga	00,50
34	Sélénium	Se	09000
37	Rubidium	Rb	−03,60
38	Strontium	Sr	−03,00
39	Yttrium	Y	−05,10
40	Zirconium	Zr	04,40
41	Niobium	Nb	01,05
42	Molybdène	Mo	00,10
43	Technétium	Tc	—
44	Ruthénium	Ru	00,30
45	Rhodium	Rh	00,80
46	Palladium	Pd	01,10
47	Argent	Ag	00,73
48	Cadmium	Cd	−00,05
49	Indium	In	00,56
50	Étain	Sn	−00,04
52	Tellure	Te	0500
55	Césium	Cs	—
56	Baryum	Ba	−04,00
57	Lanthane	La	00,10
58	Cérium	Ce	13,60
59	Praséodyme	Pr	—
60	Néodyme	Nd	−04,00
61	Prométhium	Pm	—
62	Samarium	Sm	00,70
63	Europium	Eu	05,30
64	Gadolinium	Gd	−04,60
65	Terbium	Tb	−01,60
66	Dysprosium	Dy	−04,10
67	Holmium	Ho	−06,70
68	Erbium	Er	−03,80
69	Thulium	Tm	−01,30
70	Ytterbium	Yb	05,10
71	Lutécium	Lu	−06,90
72	Hafnium	Hf	±00,00
73	Tantale	Ta	00,70
74	Tungstène	W	−04,40
75	Rhénium	Re	−01,40
76	Osmium	Os	−03,20
77	Iridium	Ir	01,42
78	Platine	Pt	—
79	Or	Au	00,82
80	Mercure	Hg	—
81	Thallium	Tl	00,60
82	Plomb	Pb	−00,58
83	Bismuth	Bi	−072
90	Thorium	Th	00,60
91	Protactinium	Pa	—
92	Uranium	U	03,00
93	Neptunium	Np	08,90
94	Plutonium	Pu	12,00

Production thermoélectrique

Il est possible de produire des matériaux thermoélectriques qui convertissent de la chaleur en thermoélectricité sans pièces mécaniques ni mouvement. Mais jusqu'à récemment, le potentiel de production électrique était si faible qu'il n'était pas considéré comme rentable à grande échelle ou pour des productions importantes. On estime généralement son rendement (rapport entre énergie électrique récupéré et l'énergie thermique fournie), calculé à partir des coefficients Seebeck individuel des deux matériaux, à 10 %. Il était réservé aux coûteuses piles atomiques des sondes spatiales, fonctionnant à très basses températures dans le vide spatial (−120 °C pour la face non exposé d'un satellite), ou pour alimenter de petits « moteurs » silencieux.

En 2015, des travaux de recherche universitaires laissent entrevoir de rendements bien plus importants grâce à l’utilisation de certains oxydes présentant de très bons coefficients de conversion énergétique, qui sont en outre résistants à la chaleur et non toxiques. Des tests ont permis d'obtenir des valeurs de thermoélectricité record^[Combien ?], à basses températures. Dans le futur, des machines thermiques, moteurs de voitures ou processeurs d'ordinateurs pourraient convertir en électricité la chaleur qu'ils dissipent.

Parmi les substances testées (qui doivent aussi présenter certaines caractéristiques en matière de conductivité thermique et conductivité électrique) figurent aussi les chalcogénures et oxydes de molybdène et surtout deux oxydes LaAlO₃ et SrTiO₃ . Selon Jean-Marc Triscone (de l'UNIGE), spécialiste des interfaces entre oxydes « d'une façon aussi surprenante, elles nous indiquent la présence d'électrons piégés dans le matériau », un état électronique depuis longtemps recherché, mais jamais observé précise Daniele Marré de l'Université de Gênes et associé au CNR-SPIN. Un modèle théorique d'interprétation de ce comportement des atomes a été développé par l'équipe d'Alessio Filippetti du CNR-IOM de Cagliari.

Une application envisageable concerne les zones isolées du réseau de distribution ; l'électricité pourrait alors être produite par un poêle à bois équipé d'un générateur thermoélectrique. Cette solution serait plus fiable que des panneaux solaires. Des modules thermoélectriques à placer entre la plaque de cuisson et une casserole sont commercialisés.

Effet réciproque : effet Peltier

Le principe inverse, appelé effet Peltier, permet par exemple à de mini-réfrigérateurs ou à des modules électroniques de générer du froid à partir d'une tension électrique.

Voir aussi

Articles connexes

• Application: Thermocouple
• L'effet inverse : effet Peltier
• La synthèse des deux effets : effet Thomson
• Plus généralement : thermoélectricité
• Autre effets électriques :
  • Effet Joule
  • Effet Hall
• Semi-conducteur

Bibliographie

• Geballe, T. H., & Hull, G. W. (1954). Seebeck effect in germanium. Physical Review, 94(5), 1134. (résumé)
• Geballe, T. H., & Hull, G. W. (1955). Seebeck effect in silicon. Physical Review, 98(4), 940 (résumé).
• Hinzke, D., & Nowak, U. (2011). Domain wall motion by the magnonic spin Seebeck effect. Physical review letters, 107(2), 027205 (résumé).
• Jaworski, C. M., Yang, J., Mack, S., Awschalom, D. D., Myers, R. C., & Heremans, J. P. (2011). Spin-Seebeck effect: A phonon driven spin distribution. Physical review letters, 106(18), 186601 (résumé).
• Jaworski, C. M., Yang, J., Mack, S., Awschalom, D. D., Heremans, J. P., & Myers, R. C. (2010). Observation of the spin-Seebeck effect in a ferromagnetic semiconductor. Nature materials, 9(11), 898-903.
• Uchida, K. I., Adachi, H., Ota, T., Nakayama, H., Maekawa, S., & Saitoh, E. (2010). Observation of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators. Applied Physics Letters, 97(17), 172505 (résumé).
• Uchida, K. I., Adachi, H., An, T., Ota, T., Toda, M., Hillebrands, B., ... & Saitoh, E. (2011). Long-range spin Seebeck effect and acoustic spin pumping. Nature materials, 10(10), 737-741.
• Uchida, K., Takahashi, S., Harii, K., Ieda, J., Koshibae, W., Ando, K., ... & Saitoh, E. (2008). Observation of the spin Seebeck effect. Nature, 455(7214), 778-781 (http://www.nature.com/nature/journal/v455/n7214/abs/nature07321.html résumé]).
• Van Herwaarden, A. W., & Sarro, P. M. (1986). Thermal sensors based on the Seebeck effect. Sensors and Actuators, 10(3), 321-346 (résumé).
• Walter, M., Walowski, J., Zbarsky, V., Münzenberg, M., Schäfers, M., Ebke, D., ... & Heiliger, C. (2011). Seebeck effect in magnetic tunnel junctions. Nature materials, 10(10), 742-746.
• Wen, S., & Chung, D. D. L. (1999). Seebeck effect in carbon fiber-reinforced cement. Cement and Concrete Research, 29(12), 1989-1993.
• Xiao, J., Bauer, G. E., Uchida, K. C., Saitoh, E., & Maekawa, S. (2010). Theory of magnon-driven spin Seebeck effect. Physical Review B, 81(21), 214418.