Au milieu du XIXe siècle, deux découvertes très importantes ont été faites. Ils ont été faits par des scientifiques, dont les noms ces lois sont appelées aujourd'hui. L'un était Thomas Zeebeck et l'autre Jean Peltier. Ils ont découvert le même phénomène que l'on peut appeler réciproque. L'un d'eux a découvert que l'application de différences de potentiel provoque des changements de température. Un autre a découvert que l'application d'un gradient de température provoque une différence de potentiel. Aujourd'hui, nous appelons ces effets les lois de Peltier et Zeebeck. Ils sont à la base de tous les phénomènes thermoélectriques et, bien sûr, des matériaux thermoélectriques.
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Pendant de nombreuses années, ces lois n'ont été que des lois de physique qui ont enrichi la science. Des démonstrations de l'application de ces lois ont été faites. L'un des scientifiques, Lentz, a pris deux fils reliés entre eux et composés de produits chimiques différents. Courant dans une direction, il a gelé une goutte d'eau, en passant une goutte d'eau dans l'autre - une goutte d'eau a fondu.
Cela a duré très longtemps, jusqu'au milieu des années 1950, lorsque l'académicien Abram Ioffe a formulé l'idée qu'il était possible d'utiliser la thermoélectricité et les matériaux thermoélectriques dans un sens pour produire du froid, et dans l'autre sens pour produire de l'électricité, en utilisant les lois de Zeebeck et celles de Peltier. L'idée n'était pas nouvelle, mais Joffet l'a soutenue avec le principe du choix des matériaux, qui est toujours utilisé dans l'industrie. Il a dit que le semi-conducteur devrait être à bande étroite, composé d'atomes très lourds et ne devrait pas être transformé en métal. Dans ce cas, l'état d'un bon matériau thermoélectrique sera respecté.
Lorsque nous parlons du matériel, nous devons trouver un système pour évaluer sa performance ou même son utilité. C'est le coefficient ZT, qui signifie "qualité thermoélectrique". Il n'a pas de dimension physique, mais dit qu'un ingénieur thermoélectrique doit être un bon conducteur d'électricité et un mauvais conducteur de chaleur. Il est très difficile de combiner en un seul matériau, mais c'est fondamentalement possible. La théorie ne contient aucune interdiction. Nous devions trouver comment utiliser ces substances, dans quel coin du système chimique du tableau de Mendeleev il est possible de prendre de tels éléments chimiques pour qu'ils puissent être combinés en une seule substance avec les propriétés désirées.
Ioffe a inventé le matériau tellurure de bismuth, sa formule chimique - Bi2Te3. Il peut être lui-même un matériau thermoélectrique, mais pour augmenter son efficacité, il est allié : beaucoup d'antimoine, une certaine quantité de sélénium et d'autres additifs sont ajoutés. A ce jour, 95% de tous les matériaux thermoélectriques sont à base de tellurure de bismuth.
Où utilisons-nous des matériaux thermoélectriques ? Les domaines sont nombreux, mais le marché des matériaux thermoélectriques est très restreint : le chiffre d'affaires annuel est estimé à moins de 2 milliards de dollars. Néanmoins, il existe un certain nombre d'applications. Tout d'abord, le refroidissement : vous pouvez refroidir quelque chose qui ne nécessite pas beaucoup d'énergie et beaucoup de production de froid. Lorsqu'il s'agit de refroidisseurs thermoélectriques de 100 watts ou moins, ils sont concurrentiels par rapport aux refroidisseurs à compression. Les refroidisseurs à compression sont simples : plus le volume est important, plus le rendement est élevé. Les matériaux thermoélectriques n'ont pas cette relation.
L'avantage des réfrigérateurs thermoélectriques par rapport aux réfrigérateurs à compression réside dans le fait que les matériaux thermoélectriques et les dispositifs à base de ceux-ci peuvent fonctionner très longtemps. Pour certains matériaux, la durée de vie estimée varie de 20 à 30 ans. Ces appareils ne nécessitent pas d'entretien permanent : ils n'ont pas de pièces mobiles, pas de surchauffe et pas de contraintes mécaniques. Cependant, ils ne produisent pas un très bon froid. L'efficacité des matériaux thermoélectriques modernes produisant du froid est estimée à environ 6-7%. Malgré cela, le tellurure de bismuth n'a pas encore été remplacé dans les matériaux de refroidissement thermoélectriques. Et la recherche de nouveaux matériaux est une tâche distincte.
Comme nous l'avons déjà dit, il y a les effets Zeebeck et Peltier. Et si l'un d'eux est responsable du refroidissement, l'autre de la production de courant sous l'influence des différences de température. Cela conduit à une nouvelle idée, à savoir que le tellurure de bismuth ne peut être évité pour la plupart des applications. Le tellurure de bismuth, même bien allié, fonctionne normalement jusqu'à des températures de 100-150 °C. Bien sûr, il peut être utilisé : imaginez un système à distance où il n'y a pas de réseau électrique, et vous devez faire fonctionner un capteur qui fonctionne à l'électricité. Il est possible que la différence de température vous donne de l'électricité grâce à ce matériau thermoélectrique, le capteur prendra des mesures, transmettra au satellite et s'endormira à nouveau.
Cependant, nous aimerions tirer davantage parti des générateurs thermoélectriques, comme une machine. Imaginez que lorsque nous remplissons une voiture d'essence, nous devons convenir qu'environ 25 p. 100 du carburant est utilisé pour maintenir la voiture en marche, et tout le reste...