Effet Seebeck

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 :

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

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 :

${\displaystyle S_{ab}=S_{b}-S_{a}\,}$

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 :

${\displaystyle \Pi _{ab}=S_{ab}T\,}$

${\displaystyle \tau _{a}=T{\frac {dS_{a}}{dT}}\,}$

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.

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 :

${\displaystyle S_{inconnu}=S_{ref}-{\frac {V_{a}-V_{b}}{T_{a}-T_{b}}}\,}$

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. Il était réservé aux coûteuses piles atomiques des sondes spatiales, ou alimente de petits « moteurs » silencieux.

En 2015, les résultats de travaux de recherche d'universitaires italiens et suisses, menés à Gênes, Genève et Cagliari en collaboration avec des instituts de recherches italiens ont été publiés par la revue Nature Communications. Ils laissent entrevoir de rendements bien plus importants grâce à l’utilisation de certains oxydes présentant de très bons coefficients de conversion énergétique et qui sont en outre résistants à la chaleur et non toxiques. Des tests ont permis d'obtenir des valeurs de thermoélectricité record, à basses températures[1]. Dans le futur, des machines thermiques, moteurs de voitures ou processeurs d'ordinateurs pourraient convertir la chaleur qu'ils dissipent et gaspillent, en électricité.

Parmi les substances testées (qui doivent aussi présenter certaines caractéristiques en termes de conductivité thermique, et conductivité électrique) figurent aussi les chalcogénures et oxydes de molybdène[2] et surtout deux oxydes LaAlO3 et SrTiO3 [3].
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[3]. Un modèle théorique d'interprétation de ce comportement des atomes a été développé par l'équipe d'Alessio Filippetti du CNR-IOM de Cagliari[3].

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