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THERMOÉLECTRICITÉ

Réalisation de thermoéléments

Choix des matériaux thermoélectriques

Les expressions des rendements ou des différences de température ne font en définitive intervenir les propriétés des éléments thermoélectriques que par l'intermédiaire des grandeurs α, ρ et k groupées dans l'expression du facteur de mérite Z. Le choix des produits thermoélectriques se fait donc en fonction de Z, la qualité des corps étant d'autant meilleure que Z a une valeur plus élevée.

Les quantités α, ρ et k dépendent elles-mêmes de grandeurs plus universelles telles que la densité des porteurs de charges. Les expressions reliant α, ρ et k à ces densités de porteurs, fournies par la théorie des semi-conducteurs, permettent de relier la qualité thermoélectrique à la conductivité thermique du réseau kr, à la mobilité des porteurs μ et à la masse efficace m* :

Alliages de tellurure de bismuth - crédits : Encyclopædia Universalis France

Alliages de tellurure de bismuth

Le choix se fait finalement parmi les semi-conducteurs et particulièrement parmi les composés du tellure et du sélénium avec les métaux lourds tels que le plomb, le bismuth ou l'antimoine.

Problèmes liés à la construction de dispositifs thermoélectriques

Réfrigération

Un problème de réfrigération est d'abord défini par deux grandeurs : la température à atteindre et la puissance thermique à évacuer. Dans l'expression de la température froide, la puissance thermique intervient dans le cas de plusieurs couples par Q/n, c'est-à-dire que rien ne s'oppose, au moins théoriquement, à ce que de grandes puissances thermiques soient évacuées, à condition d'augmenter proportionnellement le nombre de couples n du dispositif thermoélectrique.

En revanche, même avec n infiniment grand, la valeur de ΔT reste limitée. C'est donc, en fin de compte, la température qui représente la donnée la plus importante.

Il faut évaluer Z pour connaître les possibilités de réfrigération. La valeur de Z trouvée précédemment (3) dépend des sections des bras 1 et 2, ces sections pouvant être choisies pour que Z soit maximal, ce qui a lieu lorsque :

Le facteur de mérite Z, calculé en portant l'équation ci-dessus dans la formule (3), est de l'ordre de 2,5 × 10-3/0C, ce qui, substitué dans l'équation (2), permet de voir que l'on peut atteindre − 40 0C à partir d'une source chaude à + 20 0C.

L'abaissement maximal de température n'est plus fonction de la taille du réfrigérateur, mais le courant d'alimentation en dépend. Pour obtenir des tensions d'alimentation raisonnables (quelques volts), des courants d'alimentation faciles à produire (quelques ampères), il est intéressant de grouper plusieurs dizaines de couples et de constituer ainsi un module thermoélectrique. Ces couples seront montés en série électrique et en parallèle thermique.

Dispositifs à plusieurs étages

Il est intéressant d'utiliser les dispositifs à plusieurs étages afin d'augmenter le ΔT maximal et le rendement. Les étages sont montés en série thermique, chacun évacuant la somme de la puissance pompée et de la puissance électrique fournie à l'étage précédent. Le nombre n de couples doit donc croître rapidement d'un étage à l'autre. S'il en est ainsi, en supposant que les propriétés thermoélectriques ne varient pas avec la température, on montre que les différences de température atteintes par le j-ième étage (ΔTj), dans le cas d'une alimentation électrique en série, sont reliées à celles correspondant au premier étage (ΔT1) par la relation :

La quantité entre parenthèses est inférieure à 1 (environ 0,64 avec les produits thermoélectriques usuels), ce qui permet de voir que les ΔT successifs sont proportionnels aux nombres 50, 35, 20, 13, etc. Le quatrième étage n'apporterait que 10 p. 100 environ du refroidissement des trois premiers. De tels systèmes sont donc pratiquement limités à trois étages.[...]

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Écrit par

  • : ingénieur de l'École supérieure de physique et de chimie industrielles (E.S.P.C.I.) de Paris, ingénieur en chef à la Direction des activités Télécom de la Compagnie Industrielle des Télécommunications (C.I.T.-ALCATEL)

Classification

Pour citer cet article

Michel ALAIS. THERMOÉLECTRICITÉ [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Couple thermoélectrique - crédits : Encyclopædia Universalis France

Couple thermoélectrique

Conducteurs : propriétés - crédits : Encyclopædia Universalis France

Conducteurs : propriétés

Alliages de tellurure de bismuth - crédits : Encyclopædia Universalis France

Alliages de tellurure de bismuth

Autres références

  • BECQUEREL ANTOINE CÉSAR (1788-1878)

    • Écrit par Georges KAYAS
    • 344 mots

    Ancien élève de l'École polytechnique (où il entre en 1806), sorti dans le corps des ingénieurs militaires, Becquerel, après la chute de Napoléon, se consacre uniquement à la science et il est le premier à occuper la chaire de physique au Muséum d'histoire naturelle de Paris (1838). Il est le chef...

  • CURIUM

    • Écrit par Marc LEFORT, Monique PAGÈS
    • 1 228 mots
    ...d'un nucléide se dissipe presque intégralement sous forme de chaleur qu'on peut, dans certains cas, transformer avantageusement en énergie électrique. Aussi certains émetteurs alpha, tels 244Cm, 242Cm, 238Pu, présentent-ils un grand intérêt comme sources thermo-électriques, en particulier pour équiper...
  • ÉLECTRICITÉ - Histoire

    • Écrit par Jacques NICOLLE
    • 6 197 mots
    • 11 médias
    Ainsi, Thomas Johann Seebeck (17701831) met en évidence les effets thermo-électriques (production de courants) qui se manifestent dans un circuit constitué de deux métaux dont les deux soudures se trouvent à des températures différentes. Il devenait donc possible (c'est une étape importante) de transformer...
  • ÉLECTRICITÉ - Lois et applications

    • Écrit par Jean-Marie DONNINI, Lucien QUARANTA
    • 4 773 mots
    • 8 médias
    Si le passage du courant électrique produit un dégagement de chaleur (effet Joule), le transport et la diffusion des porteurs de charge entraîne d'autres effets. Dans l'effet Peltier, le passage d'un courant peut absorber de la chaleur (on utilise cet effet dans certains petits réfrigérateurs...
  • Afficher les 7 références

Voir aussi