Efeito Thomson: o que é?

Este post é a segunda parte sobre termeletricidade. O efeito Thomson é um fenômeno termelétrico reversível e relacionado com os efeitos Seebeck e Peltier.

Recomendo que leia o post sobre os efeitos Seebeck e Peltier antes de continuar.

Efeitos Seebeck e PeltierClique aqui

Coeficiente de Seebeck

Acrescentando informações importantes sobre os outros dois fenômenos termelétricos reversíveis. A equação da densidade de corrente $J$ em um condutor durante o efeito Seebeck é:

$J=\sigma (-\Delta V+E_{emp})$

• $\sigma$ é a condutividade do material.
• $\Delta V$ é a diferença de potencial.
• $E_{emp}$ é a força eletromotriz.

Cálculo da força eletromotriz.

$E_{emp}=-S\cdot \Delta T$

• $S$ é o coeficiente de Seebeck em V/K (volt/kelvin).
• $\Delta T$ é a diferença de temperatura entre as junções.

O coeficiente de Seebeck também pode ser calculado desta forma.

$S=-\frac{\delta V}{\delta T}$

• $\delta V$ e $\delta T$ são as variações de tensão e temperatura respectivamente.

Coeficiente de Peltier

Abaixo é a equação do calor absorvido ou transmitido $Q$ por unidade de tempo na junção pelo efeito Peltier.

$Q=(\Pi _{A}-\Pi _{B})\cdot I$

$\Pi _{A}$ e $\Pi _{B}$ são os coeficientes de Peltier dos materiais A e B, representam a quantidade de calor por carga elétrica em Joule/Coulomb (J/C). $I$ é a corrente elétrica. O coeficiente de Peltier $\Pi$ pode ser calculado a partir do coeficiente de Seebeck.

$\Pi _{AB}=\Pi _{A}-\Pi _{B}=S_{AB}\cdot \Delta T$

• $\Delta T$ é a diferença de temperatura entre as junções.
• $S_{AB}=S_{A}-S_{B}$.

O efeito Thomson

Foi descoberto na década de 1850, pelo físico, matemático e engenheiro britânico Willian Thomson Kelvin. O mesmo que introduziu a escala de temperatura Kelvin. Segundo o efeito Thomson, quando uma corrente elétrica passa por um condutor homogêneo, este tendo um gradiente ou diferença de temperatura nas extremidades, o condutor absorve ou emite calor. Dependendo dos sentidos da corrente elétrica e do gradiente de temperatura.

E se esquentar o meio do condutor? Em um lado o calor será absorvido e no outro, emitido.

Efeitos Thomson positivo e negativo

Considere a corrente elétrica fluindo de A a B, em um condutor com uma fonte de calor em C. Em materiais com efeito Thomson positivo (a), o calor do ponto A até o C é absorvido (Heat absorbed), mas é liberado no outro lado do condutor. Metais que apresentam o efeito Thomson positivo são: cobre (Cu), cádmio (Cd), zinco (Zn), antimônio (Sb), prata (Ag) e estanho (Sn).

Já no efeito Thomson negativo (b), calor é liberado de A para C, mas absorvido de C para B. Os metais que apresentam o efeito negativo são: ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), bismuto (Bi), platina (Pt) e mercúrio (Hg).

Sem uma corrente elétrica, os pontos M e N teriam temperaturas iguais. Porém, quando há corrente, N terá uma temperatura maior que M no efeito positivo. Enquanto no efeito negativo, a temperatura do ponto M será maior do que de N.

Equação do calor e o coeficiente de Thomson

A equação do calor produzido $q$ por unidade de volume.

$q=\rho J^2-\mu J\frac{dT}{dx}$

• $\rho$, resistividade.
• $J$, densidade de corrente.
• $\mu$ é o coeficiente de Thomson em volts por grau, pode ser positivo ou negativo, depende do material. 
• $\frac{dT}{dx}$, gradiente de temperatura.

O primeiro termo da equação é simplesmente o aquecimento da Lei de Joule, que não é reversível. O segundo termo é o calor de Thomson, que muda de sinal quando J muda de direção.