Un thermocouple est une jonction entre deux conducteurs différents.
On constate un lien entre la température et le courant/tension qui apparait à la jonction.
Généralement, les gens ont l'impression que tout se passe au niveau de la jonction : il n'en est rien.
Effet Seebeck
😃 Regarde ! Regarde !
Mouis ? 🥱
J'ai fait un thermocouple en soudant deux métaux, et j'observe une tension ! 😏
Montre-moi ça. 😐
Voilà mon couple :
J'ai pris du chromel, un alliage de nickel avec 10% de chrome, pour le matériau 1
Et du constantan pour le matériau 2, c'est un alliage de nickel avec 45% cuivre
Certes. Et tu mesures une tension ?
Ouais monsieur ! 😌
Comme ça, de l'énergie gratuite qui vient de rien ?
Tout ça parce que tu as fait une soudure ? 🤨
Dit comme ça, c'est bizarre. 🤔
Et tu as tenté de chauffer la soudure j'imagine ?
Oui, et ça marche mieux quand on chauffe la soudure, la tension augmente.
L'énergie vient de la chaleur ! 😗
Sauf que la thermodynamique interdit d'extraire
de l'énergie à partir d'une simple source de chaleur. 🤓
Sinon on pourrait faire un navire qui avance en laissant derrière lui un sillage de glace...
Ah oui, il faudrait une source froide, au moins. 😕
Et puis franchement, tu crois vraiment qu'une tension va apparaitre uniquement parce que tu as fait un mélange d'atomes ?
Cela friserai le miracle. Surtout que ton mélange, ta jonction, est totalement anarchique, sans organisation particulière.
Ben alors, j'ai faux où ? 😧
Comment as-tu connecté ton voltmètre ?
Je l'ai branché au bout des fils, bien sûr.
Et les fils de ton voltmètre, ils sont faits comment ?
C'est du fil de cuivre, un très bon conducteur électrique.
Eh bien en les connectant, tu as réalisé des jonctions supplémentaires, de nouveaux thermocouples...
Ah merde, tu as raison... 😔
Mais on va avoir des thermocouples de partout ! À chaque connexion, chaque soudure ! 😲
Et oui 😑
On se retrouve avec 3 soudures, au minimum !
Et chacune avec leur propre température
Mais on peut s'arranger pour que les deux nouvelles soudures
que l'on va appeler soudures froides soient ensemble à la même température
D'ailleurs, dans l'expérience originale de Seebeck, il n'y avait que 2 soudures.
Et maintenant on voit mieux que l'on va tirer de l'énergie entre la source chaude et la source froide,
ta thermodynamique sera contente.
Ce qui est important, c'est le gradient de température dans les matériaux 🤓
On y constate un couplage entre les porteurs de charge et le transport de la chaleur entre les deux sources.
Il ne se passe rien de spécial dans les soudures elles-même.
Mais on s'en sert souvent pour expliquer ce qui se passe d'une manière simpliste.
Comment on caractérise les matériaux ?
Chaque matériau possède un coefficient. L'idée est que pour un couple, on effectue leur soustraction
pour obtenir le coefficient particulier du couple.
Coefficient Seebeck ou Peltier peut-être ?
Peu importe, Lord Kelvin, alias Thomson le Thomson de l'effet Thomson a montré la relation en les deux.
Je vois, si c'est le même matériau de chaque côté, le coefficient est nul 🤔
Et s'il y a une différence, le coefficient est positif ou négatif, et la tension suit.
Thermomètre à thermocouples
On m'a recommandé ce couple qui donne 58 μV/K à la température de 0°C
Oui, c'est un des plus forts à température ambiante, intéressant pour faire un thermomètre.
Note que la valeur du coefficient n'est pas spécialement constante en température, surtout sur des grands domaines.
Mais pour faire un thermomètre, il faut connaitre la température de la source froide.
C'est ainsi que l'on arrivera à faire des thermomètres très précis et fiables,
en choisissant judicieusement le couple adapté à la température à mesurer.
C'est une utilisation classique et bien connue des thermocouples.
On peut tremper les deux soudures froides dans un bain d'eau glacée à 0°C,
mais ce n'est pas très commode.
En pratique, on préfère réguler la température dans un petit
bloc ad-hoc, en ajoutant un thermomètre pour connaitre exactement la température
des jonctions froides.
Quelques valeurs de coefficients Seebeck de thermocouples usuels
Thermopiles
Comme la tension provoquée par un couple est plutôt faible, on parle en microvolt,
l'idée de mettre plusieurs thermocouples en série conduit aux thermopiles,
des dispositifs qui vont permettre de générer de l'énergie électrique
à partir de chaleur avec une tension utile plus commode.
Des thermocouples en série augmentent la tension et forment une thermopile
Cas des semi-conducteurs
L'effet Seebeck peut s'expliquer avec un flux de chaleur depuis la source chaude vers la source froide,
ce qui est thermodynamiquement normal,
où une partie de l'énergie thermique déplacée est transformée en déplacement des porteurs de charge.
C'est plus facile à visualiser avec des semi-conducteurs dopés.
Ah oui, les électrons sont les porteurs majoritaires dans un semiconducteur dopé N
Et dans le cas d'un dopage P, il s'agit des trous, positifs ─en fait des lacunes d'électrons.
Tant que la source chaude est plus chaude que la source froide, un flux de chaleur s'établit entre les deux.
Bien sûr, le chaud 🥵 va naturellement vers le froid 🥶 pour équilibrer les températures.
L'effet intéressant est que ce flux de chaleur, par exemple des phonons dans un réseau cristallin,
"entraine" les porteurs de charges, ici les électrons côté N et les trous côté P, c'est l'effet Seebeck.
Et de l'énergie électrique est produite directement à partir de la chaleur. Cool, si je puis dire. 😌
Effet Peltier
L'effet inverse fonctionne aussi très bien.
C'est-à-dire ? 😮
Si on impose un courant dans un tel couple, et bien on provoque un transfert de chaleur d'une jonction vers une autre.
Notez que la chaleur va du froid vers le chaud, c'est une pompe à chaleur.
L'inverse de la conduction de chaleur naturelle du chaud vers le froid.
Pompes à chaleur Peltier
Ah ! Ça va faire un réfrigérateur, alors ! 🤔
Il y a un côté qui refroidit, puisque de la chaleur en est extraite.
Et l'autre côté chauffe, c'est une pompe à chaleur.
Mais attends ! 🤚 Et l'effet Joule ?
Il faudra également évacuer la chaleur générée par effet Joule, effectivement.
Et si on inverse le sens du courant, on inverse le sens de la pompe à chaleur.
Il faudra donc faire attention au sens du branchement !
Le Peltier consomme 150 watts de puissance électrique pour pomper 80 watts de chaleur.
Les 150 watts consommés sont transformés en chaleur par effet Joule, qu'il faut aussi évacuer.
Sur ce schéma, on constate l'intérêt d'une pompe à chaleur pour chauffer : il vaut mieux
dépenser les 150 watts dans la pompe (ici Peltier, mais c'est aussi valable pour les autres pompes)
que dans un stupide radiateur électrique qui ne vous
restituera que les 150 watts sous forme de chaleur par effet Joule.
Ceux qui pinaillent remarqueront des dépenses électriques supplémentaires avec les
ventilateurs, et parleront du rendement, mais bon, l'effet principal est là.
La principale limitation est le coût de fabrication de ces pompes à chaleur, quelles qu'elles soient.
Figure de mérite
Il vaudrait mieux des matériaux peu résistifs pour limiter l'effet Joule.
Et il ne faudrait pas que la chaleur revienne, non ?
Si les matériaux sont bons conducteurs thermiques, ce sera gênant !
Et oui. Il faudrait idéalement un mauvais conducteur thermique, et un excellent conducteur électrique, ce qui est rare.
On définit ce qu'on appelle la figure de mérite, ZT de son petit nom, pour voir si un compromis existe.
La figure de mérite, ZT, possède un maximum.
Il existe diverses manières de calculer le facteur de mérite en fonction de divers paramètres,
ce n'est qu'un exemple, ici assez classique.
Ceci dit, le rendement de ces petites pompes à chaleur n'est pas extraordinaire,
mais pratique dans certaines applications. On trouve des modules avec un ZT d'environ 1, parfois 2 en laboratoire,
et il dépend de la température.
Effet Thomson
Et l'effet Thomson, alors, c'est quoi ?
C'est l'effet Seebeck et Peltier, expliqué en termes de flux de chaleur et d'électricité dans un matériau.
C'est la même chose ? 🤨
L'explication avec des soudures chaudes et froides est commode pour commencer, mais trompeuse.
Il ne se passe rien de spécial au niveau des soudures,
à part que c'est l'entrée des porteurs de charges et de l'énergie thermique, pour les cas simples.
Ce qui compte, c'est le gradient de température et son flux de chaleur associé,
le gradient de champ électrique et son flux de porteurs de charge associé.
Tu veux dire que Thomson, alias lord Kelvin, a dépatouillé la situation avec son explication ?
Effectivement, et de nos jours, tu trouveras peu de gens capables de t'expliquer ça,
tellement l'explication avec les soudures/thermocouples prend le dessus.
Effets qui portent presque le même nom,
mais c'est autre chose
Avant de découvrir les applications, regardons la variante liquide de ces thermocouples : les cellules thermo-électrochimiques.