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03 février 2009

L'électricité qui vient du chaud

Bonjour

Savez-vous que certaines recherches actuelles visent à mettre en valeur la chaleur dégagée par notre corps pour recharger certains petits appareils ? Des scientifiques de l'Institut Fraunhofer pour circuits intégrés (Erlangen, Allemagne) ont réussi à développer une méthode de production d'électricité à partir de la chaleur dégagée par le corps humain.

thermoelectricite
Source : ICI

LEs applications : utiliser la chaleur du crâne par exemple, pour alimenter un casque audio...Il est question également, dans le but d'économiser les sources d'énergie et les matières premières :
- de soutirer une partie de la chaleur perdue par les gaz d'échappement pour alimenter une partie des systèmes électriques d'une voiture conduisant à économiser un peu de carburant
- de récupérer la chaleur des incinérateurs pour fabriquer  de l'électricité (directement sans fluide caloporteur) 
- d'embarquer dans l'espace sur les sondes des générateurs spéciaux pour pallier aux lacunes des panneaux photovoltaiques lorsque les sondes s'éloignent du soleil

Toutes ces belles applications, dont certaines ont vu le jour (cas des sondes spatiales ou de certains réfrigérateurs), reposent sur  le principe de l'effet Peltier et de l'effet Seebeck qui ont permis le développement de la technologie dite de "thermoélectricité". C'est sur ce principe que repose la mesure de température par un thermocouple.

La thermoélectricité est la science qui relie la conduction de chaleur au sein d'un matériau au courant électrique qui le traverse.

L'effet Peltier

Selon la définition donnée dans Wikipédia, l'effet Peltier (découvert en 1831) c'est l'apparation d'un phénomène de transfert de chaleur en présence d'un courant électrique et de deux conducteurs de nature différente mis en contact. Sous l'effet du courant électrique, un des conducteur devient plus chaud, l'autre plus froid, créant une différence de température entre eux.

L'application directe, de cet effet, est de créer facilement "du froid". L'enjeu est important pour refroidir, par exemple des puces électroniques sans ventilateur. Des glacières reposant sur ce principe existent déjà.

glaci_re

L'effet Seebeck

L'effet inverse à l'effet Peltier, a été découvert un peu plus tôt (1821) par Mr Seebeck, physicien allemand. C'est donc l'effet Seebeck qui dit qu'en appliquant une différence de température à deux matériaux conducteurs différents mis en contact, il apparaît un courant électrique dans le circuit qui les relie.

LEs deux effets sont liés, comme l'a montré Thomson, en 1851.

On parle du PTE d'un matériau, ou pouvoir thermoélectrique.

L'effet Seebeck est directement fonction des propriétés microscopiques du matériau.

Interprétation des phénomènes
I
nteractions entre électricité et chaleur, cap sur les atomes !

Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur électrique, celui-ci s'échauffe : ce sont des pertes par échauffement. Cela s'appelle l'effet Joule. Le courant électrique, dans un conducteur pur, c'est un mouvement des électrons des atomes qui constituent le matériau du conducteur. Les électrons qui bougent, "bousculent" les atomes voisins, qui donc sont mis en mouvement, vibrent : c'est la définition d'une augmentation de température (je vous en parlais ICI). Il y a donc bien un lien entre courant électrique et chaleur. Mais ce n'est pas encore l'effet Peltier (l'effet Peltier se superpose à l'effet Joule) : l'effet Joule est de la "chaleur perdue", l'effet Peltier est réversible et "valorisable".

Rappelons ici en quoi consiste la conduction thermique au sein d'un matériau classique : on chauffe à l'une des extrémité. Les molécules constituants le matériau s'agitent, l'agitation est communiquée "par collision" de proche en proche jusqu'à l'autre extrémité qui voit donc sa température augmenter à son tour.

Pour expliquer l'effet Seebeck, on peut dire pour simplifier que lorsqu'un matériau "possédant de bonnes propriétés thermoélectriques" est soumis à l'une de ses extrémités à une température plus élevée qu'à l'autre, la transmission de la chaleur du chaud vers le froid se fait par ce qui peut voyager au sein de ce matériau particulier c'est-à-dire les électrons libres. C'est ce qui se produit dans les métaux qui ont des électrons libres : le flux de chaleur  entraîne par agitation, transmise de proche en proche, un déplacement des porteurs de charge du chaud vers le froid et donc l'apparition d'un courant électrique.

Pourquoi ? Nous avons parlé des différents niveaux d'énergie au sein d'un atome dans l'article précédent...en fait, les électrons de la dernière couche liés au noyau sont appelés "électrons de valence", c'est ceux qui participent aux liaisons chimiques entre atomes pour former des molécules. Certains électrons ont une énergie encore plus élevée (reçue de l'extérieur par ex), si grande qu'ils ont pu s'éloigner du noyau : moins accrochés, ils sont plus mobiles ; ce sont les électrons de la bande de conduction. Sous l'effet de la température, les électrons sont thermiquement excités de la bande de valence à la bande de conduction : ils deviennent mobiles.

NB : cette explication n'est que l'une des composantes de l'effet thermoélectrique. Nous nous en contenterons.

Ce qui se produit pour l'effet Peltier, inverse de l'effet Seebeck, c'est que soumis à un champ électrique, le système électronique est perturbé :
- si les électrons sont accélérés, leur énergie cinétique augmente et est convertie en chaleur,
- si les électrons ralentissent, leur énergie cinétique chute, il y a alors absorption de chaleur.

L'effet Peltier est encore plus "actif" (meilleur rendement) au sein d'une jonction entre deux matériaux conducteurs différents et particuliers des semi-conducteurs notés N et P.
Lorsque sous l'effet d'un courant électrique, un électron passe du matériau N au matériau P, au niveau du point de jonction, il cède de la chaleur. De la même façon, lorsqu'un électron passe du matériau P au matériau N, au point de jonction, il absorbe de la chaleur. Apparaît donc une différence de température entre les deux matériaux N et P.

Alors pourquoi ce gain ou perte de chaleur à la jonction ? parce que les matériaux N et P sont des semi-conducteurs qui ont de bonnes propriétés thermoélectriques. Le flux thermique créé par le mouvement des porteurs de charge sera plus important que celui de la conductivité thermique.

Les semi-conducteurs N et P

La circulation d'un courant électrique, nous l'avons vu, apparaît via le mouvement d'électrons (ou pour être plus précis, via  la propagation de proche en proche d'une minuscule mouvement d'électron - comme une onde qui se transmet). Mais le courant peut être favorisé par un autre type de porteurs : les trous. Un trou est lié à une absence locale d'électron au niveau d'un atome : cela crée des zones ionisées au sein du matériau et les charges électriques voyagent de zones ionisées vers d' autres. C'est le principe des semi-conducteurs, la circulation d'un courant est favorisée à la fois par le mouvement d'electrons et de trous (qui se déplacent dans un sens opposé...logique, un électron qui saute d'un atome, laissant derrière lui un trou).

Les propriétés d'un matériau semi-conducteur sont liées au nombre de porteurs électrons et de trous. Lorsqu'un matériau possède plus de trous que d'électron, on l'appelle semi-conducteur dopé P (car un trou est "Positif").
Lorsqu'un matériau possède plus d'électrons que de trous, on l'appelle semi-conducteur dopé N ("Négatif" car surcharge en électrons).

POur revenir à nos moutons :

semiconducteurNP
Source ICI

Pour une différence de température marquée, on utilise plusieurs modules NP en cascade...

jonctionNP

En faisant circuler un courant électrique dans un circuit avec deux semi-conducteurs (l'un N, l'autre P) mis en contact, à la jonction P-N, la conductivité est grande, les électrons circulent vite et accèlèrent : l'énergie cinétique est convertie en chaleur. Au niveau de la jonction N-P, il y a décélération des électrons, impliquant une baisse de température.

peltier
Source : ICI

Le rendement du phénomène thermoélectrique est cependant très faible et ne permet pas de concurrencer les systèmes classiques permettant de produire de l'électricité à partir de chaleur (je veux parler des machines thermiques avec une turbine entraînée par de la vapeur haute pression ou un gaz très chaud).

Un nouvel article sera rédigé dans quelques temps, et explicitera davantage le principe des semi-conducteurs (comment sont ils fabriqués par ex) et leur implication dans le développement des panneaux photovoltaïque.

A bientôt

Origine de l'idée de cet article :
L'Usine Nouvelle, N° 3113, 4 Septembre 2008

Pour en savoir plus :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Peltier
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Seebeck
http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermo%C3%A9lectricit%C3%A9
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Joule
http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3155
http://www.presence-pc.com/actualite/eneco-chaleur-energie-20462/
http://www.ilephysique.net/encyclopedie/Effet_thermo%C3%A9lectrique.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur
http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/Dane_Lenaker/solid.shtm
http://ixbtlabs.com/articles/peltiercoolers/

Posté par pascale72 à 00:00 - Découvertes et avancées - Commentaires [3] - Permalien [#]