TP L3 Physique Plate forme TTE C E S I R E Université Joseph Fourier Grenoble
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Niveau: Supérieur, Licence, Bac+3
TP - L3 Physique - Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble ETUDED'UN THERMOELEMENT BUT DU T.P. Mettre en évidence et comprendre les effets thermoélectriques. On cherchera en particulier à souli- gner les applications courantes en physique expérimentale. Les mesures sur ce TP sont particulièrement longues car il faut, à chaque point, attendre la mise en équilibre thermique. L'indication (? doc) signifie « Allez consultez le document annexe : topo sur le transfert de chaleur et/ou documents techniques sur la table du TP». 1. LES EFFETS THERMOÉLECTRIQUES Les phénomènes de transport de chaleur et d'électricité dans les conducteurs donnent lieu à différentes manifestations connues sous le nom d'effets thermoélectriques. Ces effets, que l'on distingue pour la commodité de l'étude, n'ont en fait pas d'existence séparée et sont la résultante de deux phénomènes de transport (chaleur et électricité) se produisant simultanément. L'effet Joule (effet irréversible) n'est pas considéré comme un effet thermoélectrique. Il est néanmoins présent dans tout conducteur résistif parcouru par un courant, indépendamment des effets thermoélectriques pouvant se manifester. Trois effets thermoélectriques ont été établis expérimentalement : l'effet Seebeck (1821), l'effet Peltier (1834) et l'effet Thomson (1847). Nous allons rappeler les définitions ainsi que les relations établies par Thomson entre ces différents effets.
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TP - L3 Physique - Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble ETUDED'UN THERMOELEMENT BUT DU T.P. Mettre en évidence et comprendre les effets thermoélectriques. On cherchera en particulier à souli- gner les applications courantes en physique expérimentale. Les mesures sur ce TP sont particulièrement longues car il faut, à chaque point, attendre la mise en équilibre thermique. L'indication (? doc) signifie « Allez consultez le document annexe : topo sur le transfert de chaleur et/ou documents techniques sur la table du TP». 1. LES EFFETS THERMOÉLECTRIQUES Les phénomènes de transport de chaleur et d'électricité dans les conducteurs donnent lieu à différentes manifestations connues sous le nom d'effets thermoélectriques. Ces effets, que l'on distingue pour la commodité de l'étude, n'ont en fait pas d'existence séparée et sont la résultante de deux phénomènes de transport (chaleur et électricité) se produisant simultanément. L'effet Joule (effet irréversible) n'est pas considéré comme un effet thermoélectrique. Il est néanmoins présent dans tout conducteur résistif parcouru par un courant, indépendamment des effets thermoélectriques pouvant se manifester. Trois effets thermoélectriques ont été établis expérimentalement : l'effet Seebeck (1821), l'effet Peltier (1834) et l'effet Thomson (1847). Nous allons rappeler les définitions ainsi que les relations établies par Thomson entre ces différents effets.
- machines thermiques
- conversion directe de la chaleur en électricité
- jonction
- pouvoir thermoélectrique absolu du matériau
- coefficient de seebeck
- convention de signe
- absorption de chaleur
- source froide
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TP - L3 Physique - Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble
ETUDED'UNTHERMOELEMENT
BUT DUT.P. Mettre en évidence et comprendre les effets thermoélectriques. On cherchera en particulier à souli-gner les applications courantes en physique expérimentale. Les mesures sur ce TP sont particulièrement longues car il faut, à chaque point, attendre la mise en équilibre thermique. L’indication ()dociesign) « Allez consultez le document annexe : topo sur le transfert de chaleur et/ou documents techniques sur latableduTP».
1. LES EFFETS THERMOÉLECTRIQUES Les phénomènes de transport de chaleur et d’électricité dans les conducteurs donnent lieu à différentes manifestations connues sous le nom d’effets thermoélectriques. Ces effets, que l’on distingue pour la commodité de l’étude, n’ont en fait pas d’existence séparée et sont la résultante de deux phénomènes de transport (chaleur et électricité) se produisant simultanément. L’effet Joule (effet irréversible) n’est pas considéré comme un effet thermoélectrique. Il est néanmoins présent dans tout conducteur résistif parcouru par un courant, indépendamment des effets thermoélectriques pouvant se manifester. Troiseffetsthermoélectriquesontétéétablisexpérimentalement:l’effetSeebeck(1821),l’effetPeltier (1834)etl’effetThomson(1847).Nousallonsrappelerlesdénitionsainsiquelesrelationsétabliespar Thomson entre ces différents effets.
1.1.Effet Seebeck.surndcoteucdisnoCnesuonérdeneaîchM1¡M2¡M1, constituée de deux maté-riaux différents. Soit un conducteur (par exempleM2) soumis à un gradient de tempérture. Les électrons ducôtéchaudontunevitesseinstantanéestatistiquementplusgrandeetunlibreparcoursmoyenplus faiblequeducôéfroid.Cesdeuxeffetsinduisentunerépartitionspatialenonhomogènestationnaire des électrons, et donc une différence de potentiel (ddp) aux bornes du matériau. La ddp peut aller dans le sens du gradient de température ou dans le sens inverse, car les deux effets sont antagonistes et leur prépondérance dépend du matériau étudié. Au premier ordre, on peut modéliser cet effet par une relation ratureetdepotentielauxbornesdumatériau,avecuncoefcient deSeebeckoupouvoirthermoélectriqueabsoludumatériau. En pratique, on peut mesurer cet effet que si on relie le matériau aux instruments de mesures électrique par des conducteurs de nature différente,M1uléereiaatnnemusersrnis(erugàpddalnolensdaaelsdca parladdpinversedueaugradientdetempératureopposé!!).Onvadoncenpratiquemanipulerdes coefcientsdeSeebeckàunejonctionentredeuxmatériaux,quinesontriend’autrequelesdifférences descoefcientsSeebeckdesdeuxmatériauxencontact. .
linéaire entre les différences de tempé-de proportionnalitéaceod,tinetfic
D’unpointdevueplusformel,ceteffetestcaractériséparlecoefcientdeSeebeckquel’ondénit commelerapportdelatensionàl’écartdetempératurelorsquecedernierestinnimentpetit: ¡ ¢ ¢V a12(T=)ilm¢T!0 ¢T ¡1 L’unité pratique est leV¹ K; par exemple, pour une jonction Cuivre/Constantana12327(K) = ¡1 39V¹ K. 1
Remarqueseqénedtssmebaill’étdansmentectesecnassuispleurssontiuaaptîridspa’narapet:cmeer échangées, en revanche il ne faut pas l’oublier dans la caractéristique courant-tension. A l’équilibre on posera que la contribution Seebeck s’écrit :USeebeck=A4ToùAlestefcoal.ecebetotkeiceStn
1.2.ffetPeltei.rESi l’on fait passer un courant électrique à travers une jonction formée de deux conduc-teursdifférentsàlamêmetempérature,onobserveàl’interfaceuneabsorptionouundégagementde chaleur par unité de tempsPPproportionnels à l’intensité qui traverse la jonction : PP=π12(T)I Lecoefcientdeproportionnalitéπ12(T)dnepaledn.iodéIlajelctonePtleidrceitnedstlecoefe nature des matériaux et de la température de la jonction. L’unité pratique est lemV; à 273 K, on a par exemple pour une jonction Bi/Cu :π12= 21mVet pour une jonction Fe/Cu :π12= 3mV.
Lorsque l’on inverse le sens du courant, l’effet thermique (absorption ou dégagement de chaleur) est lui-mêmeinversé.L’effetPeltierestuneffetréversibleausensthermodynamiqueduterme.Lesignedu coefcientdePeltier¦12, entre deux matériauxM1etM2, est pris positif lorsqu’un courant électrique, circulant dans le sens deM1versM2a’lareto-an,eranteuînabneitnoosprlaueedhcjoncràla.Onntion logie avec un changement de phase. Le passage des molécules d’alcool (par exemple) de l’état liquide àl’étatgazeux(évaporation)s’accompagned’uneabsorptiondechaleurquirefroiditledoigtsurlequel l’alcool est déposé. L’effet est inverse dans le cas de la condensation 1.3.Effet Thomson.Un conducteur unique, soumis à un gradient de température et parcouru par un courant électrique, échange de la chaleur (absorption ou dégagement) avec le milieu extérieur.
Si¢Test la différence de température entre deux points distants d’une unité de longueur, la puissance échangéePTpar unité de longueur, lorsque le conducteur est parcouru par un courantI, est : PT=¿¢IT: ¿foeectlesI.nosmohTedtneicefoiscarlestcettqieuudescaétirtsurtenscocoulucndeffetrédi’L.é Thomson est réversible comme l’effet Peltier : une inversion de courant par rapport au sens du gradient detempératureinverselesensdeseffetsthermiques.LesigneducoefcientdeThomsonestprispositifsi leconducteurabsorbedelachaleurlorsquelesgradientsdetempératureetdetensionsontdanslemême ¡1 sens(lecourantcirculedel’extrémitéchaudeversl’extrémitéfroide).L’unitépratiqueestle¹V K; ¡1¡1 par exemple pour le Cuivre, on a¿= 2:2V¹ Ket pour le Fer¿=¡8:4¹V K. 1.4.ioatthnsmoernadyuqimedsemohT.nosRlereieltPeetdroisLestciecoefedeStn(s,kedbece Thomson) dépendent de la température. Il est possible d’établir entre eux un certain nombre de relations. Nous nous contenterons de les rappeler sans démonstration. ¼21(T) Première relation de Thomsona12(T) = T da21(T) ¿1¡¿2 Deuxième relation de Thomson= dT T La deuxième relation de Thomson peut s’écrire sous la forme : R R T T ¿1¿2 a12(T) =dT¡dT 0T0T Dèslors,lecoefcientd’effetSeebeckapparaîtcommeladifférencededeuxquantitésS(T)ne dé-pendant chacune que de la nature d’un seul conducteur. R T ¿ S(T) =dT 0T est le pouvoir thermoélectrique absolu du matériau et l’on a la relation 2
12
T
S1(T
S2
T
2. APPLICATIONS DES EFFETS THERMOÉLECTRIQUES Très longtemps, l’application unique a été la mesure de la température par thermocouples (utilisation del’effetSeebeck).Lesapplicationspratiquesutilisantlesautreseffetssont: -lesgénérateursthermoélectriques(conversiondirectedelachaleurenélectricité). - la réfrigération ou le chauffage thermoélectrique. Encore faut-il que les performances des jonctions utilisées permettent de telles réalisations avec des rendementsraisonnables.Cesapplicationsn’ontpuêtreenvisagéesqu’avecledéveloppementdesse-miconducteursquiontdescoefcientsthermoélectriquesbeaucoupplusimportantsquelesconducteurs métalliques. Les couples thermoélectriques formés de semiconducteurs permettent d’atteindre des va-leurs de rendements de conversion énergétique plus élevées. Par contre, ils n’ont pas la stabilité des couplesmétalliquesnilamêmeaptitudeàêtrereproduitsavecdescaractéristiquestrèsvoisines. On utilise donc les thermocouples métalliques pour la mesure des températures et les jonctions à base de semiconducteurs pour la production directe d’énergie électrique et pour la réfrigération. 2.1.edestempératurest(ehmrcouolpseémueiqllta.s)maLruseduc-econsionCnusnoréddenîahce teursM1¡M2¡M1turepéraetemamêmtdnlnàoséosemdéxtuilxetsretTet les jonctions respective-ment àT1etT2nteestquéimportarppoirté.aLchteneaîsdneetecuanorobxtaleisnependnedéesqued températuresT1etT2des jonctionsM1¡M2. En particulier, elle ne dépend ni deTni de la répartition destempératureslelongdesconducteurs.Sil’onmaintientl’unedesjonctionsàunetempératurexe choisie comme référence, la tension mesurée ne dépend que de la température de l’autre jonction : nous avons fabriqué un thermomètre. Les deux lois suivantes s’appliquent à la mesure des températures par thermocouples : - Loi des températures intermédiaires La tension mesurée lorsque les jonctions sont aux températuresT0etT2est égale à la somme des tensionsmesuréeslorsquelethermocouple"travaille"respectivemententreT0etT1et entreT1etT2. En d’autres termes : E(T0; T2) =E(T0; T1) +E(T1; T2) La conséquence pratique d’une telle loi est qu’elle nous permet de calculer la températureT2de la jonction chaude connaissant : - la températureT1de la soudure froide - la f.e.m.E(T1; T2) - la table d’étalonnage du thermocouple établie à partir d’une température de référenceT0qui est en général 0 C. - Loi des métaux intermédiaires L’insertion dans n’importe quelle partie du circuit initial d’un troisième métal homogène ne modi-epaslatensionàconditionquelesraccordementssoientàlamêmetempérature.Cecientraîneque les deux dispositions suivantes sont équivalentes ; elles sont effectivement adoptées pour la mesure des températures.
L’intérêtdesthermocouplesestdefournirdesthermomètresrobustes,peuencombrantsetrelative-ment bon marché. Différents types de thermocouples sont utilisés couramment tant au laboratoire que dans l’industrie :
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