10 décembre 1831 – Thomas Johann Seebeck physicien prussien

Comment fonctionne l’effet Seebeck ? Définition et FormuleThomas Johann Seebeck (1770-1931) est né à Reval en Prusse orientale (aujourd’hui Tallinn, Estonie) dans une famille de marchand allemande. Diplômé de médecine en 1802 à l’Université de Göttingen, il préfère se consacrer à l’étude de la physique. En 1821, il découvre l’effet Seebeck : une différence de potentiel apparaît à la jonction de deux matériaux lorsqu’ils sont soumis à un gradient de température. Cet effet est à la base de la génération d’électricité par effet thermoélectrique et de la mesure de température par thermocouples. Expérience réalisée par Thomas Johann Seebeck en 1821, consistant à obtenir des courants électriques et leurs effets magnétiques en fournissant de la chaleur à la surface de contact de deux métaux.Thomas Johann Seebeck est né à Reval (aujourd’hui Tallin), la capitale de l’Estonie, qui faisait alors partie de la Prusse orientale, le 9 avril 1770, dans une riche famille de marchands. Son père était d’origine allemande avec des racines ancestrales en Suède et peut-être à cause de cela, il a encouragé Thomas à étudier la médecine en Allemagne, ce qu’il a fait aux universités de Berlin et de Göttingen. Il obtient son diplôme de médecine en 1802, mais comme il préfère la recherche en physique à la pratique de la médecine, il se lance dans l’enseignement et la recherche comme carrière.Il est surtout connu comme physicien. Après avoir obtenu son diplôme, il rejoint la faculté de l’Université d’Iéna où il rencontre et devient un bon ami de Johann von Goethe. Inspiré par le mouvement romantique en Allemagne et la théorie anti newtonienne des couleurs de Goethe, il a travaillé avec Goethe sur la théorie de la couleur et l’effet de la lumière colorée. Seebeck s’est alors engagé dans la recherche du spectre solaire.Il découvre les effets du chauffage et des produits chimiques sur différentes couleurs du spectre solaire en 1806. En 1808, il obtient la première combinaison chimique d’ammoniac avec de l’oxyde mercurique. En 1812, il étudiait la polarisation optique dans le verre stressé, mais ses découvertes dans ce domaine ont été découvertes plus tôt, à son insu, par les scientifiques Brewster et Biot.Seebeck est retourné à l’Université de Berlin vers 1818 en tant que professeur où il a travaillé de manière indépendante sur la magnétisation du fer et de l’acier lorsque des courants électriques traversaient des conducteurs. Les effets magnétiques de l’électricité sur le fer et l’acier venaient d’être découverts par Arago et Davy. Dans de nombreuses expériences sur la magnétisable de divers métaux, il a observé la réaction anormale du fer rouge magnétisé, qui a finalement abouti au phénomène maintenant connu sous le nom d’hystérésis.Seebeck a fait des recherches sur la photoluminescence (l’émission luminescente de certains matériaux excités par la lumière), le chauffage et les effets chimiques de différentes parties du spectre solaire, la polarisation et le caractère magnétique des courants électriques.Au début de 1820, Seebeck a recherché expérimentalement une relation entre l’électricité et la chaleur. En 1821, il joint deux fils de métaux différents (fil de cuivre et fil de bismuth) pour former une boucle ou un circuit. Deux jonctions ont été formées en connectant les extrémités des fils entre elles. Il a alors accidentellement découvert que s’il chauffait une jonction à une température élevée et que l’autre jonction restait à une température plus froide, un champ magnétique était observé autour du circuit à différentes températures.Il n’a pas reconnu, cru ou signalé qu’un courant électrique était généré lorsque de la chaleur était appliquée à une jonction des deux métaux. Il a utilisé le terme courants thermomagnétiques ou thermomagnétisme pour exprimer sa découverte. Au cours des deux années suivantes, 1822-1823, il rend compte de ses observations continues à l’Académie prussienne des sciences, où il décrit cette observation comme « la polarisation magnétique des métaux et des minerais produite par une différence de température ».Seebeck est crédité de la découverte de l’effet thermoélectrique, mais il a utilisé sa découverte pour conclure à tort que le champ magnétique terrestre était produit par les différences de température entre les deux pôles et l’équateur. C’est la théorie de Seebeck – le gradient de température provoque la magnétisation directe des métaux, et le métal nouvellement magnétisé présente un champ magnétique environnant qui influence l’aiguille magnétique à proximité en la faisant dévier- il n’y a aucun courant électrique impliqué.                   Seebeck est assez ennuyé par la communauté scientifique pour avoir suggéré que son gradient de température provoque un courant électrique, qui produit alors un champ magnétique autour du fil. Il attaque leur position en se plaignant que l’expérience d’Oersted a aveuglé les scientifiques, qui interprètent désormais tout à la lumière des courants électriques provoquant des champs magnétiques, et qu’ils sont incapables de penser ou de raisonner autrement. Mais l’argument de Seebeck ne permet pas d’expliquer pourquoi il n’y a pas de champ magnétique produit par le gradient de température, alors que le circuit est coupé électriquement par des matériaux pourtant bons conducteurs thermiques. Ainsi, le point de vue thermoélectrique populaire prévaut, et confirmé plus tard, selon lequel un courant électrique est en effet produit par la différence de température entre les deux jonctions d’un circuit bimétallique fermé.Il a expérimenté différents métaux, différentes structures (formes) du même métal et a trouvé les effets des courants électriques ou, dans son cas, les déviations de son aiguille magnétique, lorsque leurs jonctions étaient chauffées. Il a même découvert que des courants électriques circulaient si une partie d’un fil était martelée ou tordue alors que l’autre partie du même fil n’était pas remodelée.

Le courant électrique circulait en continu autour du circuit créé lorsque deux fils métalliques différents étaient reliés par une jonction soudée puis chauffés.Ce flux continu de courant avec de la chaleur était différent de celui du courant voltaïque qu’il connaissait si bien. Le flux de courant s’est formé à la jonction soudée des deux métaux dont les températures différaient au niveau du joint soudé. Seebeck a publié ses découvertes sur le thermomagnétisme en 1822-1823 sous le titre « Magnetische Plarisation der Matalle und Erze durch Temperatur-Differenz. Abhandlungen der Preussischen Akad, Wissenschaften, pp 265-373.Expérimentant plus loin, il a soudé une barre d’antimoine à une barre de bismuth et a joint leurs extrémités. L’aiguille magnétique a dévié du bismuth à l’antimoine lorsqu’un joint soudé fait par les deux métaux différents a été chauffé. L’aiguille magnétique a dévié dans la direction opposée (antimoine au bismuth) lorsque le joint soudé a été refroidi.Plus tard, on a observé que si les métaux étaient disposés selon leurs contrastes de chauffage, une série se formait : antimoine, fer, zinc, argent, or, plomb, mercure, cuivre, platine et bismuth. Plus les contrastes de chauffage entre les métaux sont importants, plus la force électromotrice (EMF) est élevée. L’antimoine et le bismuth formaient la meilleure jonction pour les CEM.Seebeck a également formé un circuit composé de conducteurs (fils) de cuivre et de bismuth dans lequel il a tenu une jonction des métaux dans une main, et a observé que l’aiguille déviait de la différence de température des jonctions métalliques causée par la chaleur de sa main. Il a expérimenté davantage en refroidissant l’une des jonctions métalliques et a observé le même effet d’un courant électrique circulant dans le circuit.

En 1822, le Dr Robert Hare, professeur de chimie à l’Université de Pennsylvanie à Philadelphie, demanda au fabricant d’instruments anglais Pepys de construire une très grande batterie galvanique qu’il utilisera dans des expériences électriques. Le Dr Seebeck a construit une batterie similaire en 1823 indépendamment de la batterie de Pepys pour Hare. Vers la même époque, le Dr Seebeck montra que la puissance de multiplication n’augmentait pas avec le nombre d’enroulements dans le fil d’union d’une bobine.La résistance au passage du courant augmentait naturellement avec la longueur du fil utilisé, ainsi le courant conducteur est réduit plutôt que proportionnel au nombre d’enroulements comme certains le prétendaient à l’époque. L’observation de Seebeck était en réponse au galvanomètre nouvellement construit de Schweigger.

En plus de l’impact de la thermoélectricité sur la théorie, cet effet est utilisé dans les thermocouples pour mesurer la température. L’observation de Seebeck est restée plutôt obscure pendant cent ans jusqu’à ce que Shockley et ses associés inventent les semi-conducteurs.Seebeck a conçu des thermocouples ; utilisé des thermo éléments pour mesurer la température, construit un polariscope (appareil pour mesurer la lumière polarisée) ; a étudié le rayonnement thermique et l’effet rotatif des solutions de sucre sur la lumière polarisée plane.

Il s’est marié et a eu au moins un fils, Louis Frederick. Il est devenu membre de l’Académie des sciences de Berlin et de l’Académie française des sciences en 1825. Thomas Seebeck à l’âge de 61 ans est décédé à Berlin, en Allemagne, le 10 décembre 1831.La différence de tension, dV, produite aux bornes d’un circuit ouvert composé d’une paire de métaux dissemblables, A et B, dont les deux jonctions sont maintenues à des températures différentes, est directement proportionnelle à la différence des températures de jonction chaude et froide, Kh – Kc, et ne dépend en aucun cas de la répartition de la température le long des métaux entre les jonctions. Le facteur de proportionnalité, SAB, est appelé coefficient Seebeck relatif, puissance thermoélectrique, ou simplement thermo puissance, du couple bimétallique, et en général ce coefficient varie également avec le niveau de la température à laquelle se produit la différence de température.

Si le circuit est fermé, un courant circulera dans les métaux, qui peut être détecté par le champ magnétique produit autour des fils, ou par le chauffage joule produit par la résistance dans les fils, ou en fermant le circuit avec un condensateur ou un condenseur de capacité suffisante pour accumuler une charge mesurable pour le courant transitoire qui circulera dans ce cas, soit par un galvanomètre ou un ampèremètre placé dans le circuit pour mesurer le courant, soit en mesurant la quantité de substance chimique déposée aux électrodes positives et/ou négatives dans une cellule électrochimique.

Effet Seebeck, Origine et Définition 

L’utilisateur familier des applications utilisant des sondes thermocouple a certainement déjà étudié cette question. Probablement en évaluant la relation entre l’effet thermoélectrique Seebeck et les tensions mesurables aux bornes des TC. Les effets thermoélectriques impliquent la conversion des différences de température en tension électrique.  Le physicien allemand Thomas Johann Seebeck est à l’origine de la découverte de l’effet Seebeck en 1821. Ce phénomène indique que la différence de température entre deux conducteurs électriques de nature distincte (matière) produit une tension entre ces deux matériaux.

Comment fonctionne l’effet Seebeck ?

Lorsqu’on applique de la chaleur à l’un des deux conducteurs ou semi-conducteurs, cette dernière induit une dynamisation des électrons. Comme uniquement un côté de la connexion subit à cette chaleur, les électrons commencent à se déplacer vers le côté le plus froid des deux conducteurs. Si les deux conducteurs sont sous la forme d’un circuit, un courant continu circulera dans ce circuit. Les tensions issues de l’effet Seebeck sont très faibles. Cependant, la gamme de tension produite est généralement de l’ordre du microvolt (millionième de volt) par unité de température.  Si la différence de température est suffisamment importante, certains dispositifs peuvent produire quelques millivolts. Plusieurs dispositifs peuvent être connectés en parallèle pour augmenter la capacité de l’alimentation électrique. Il a été démontré que ces dispositifs peuvent fournir un petit niveau d’énergie électrique si une grande différence de température est maintenue entre les jonctions.

Effet de Seebeck Formule et Coefficient

La tension produite est proportionnelle à la différence de température entre les deux jonctions. La constante de proportionnalité, représentée par S, est connue sous le nom de coefficient Seebeck. Mathématiquement, le coefficient Seebeck se présente par la formule suivante :

Dans l’équation du coefficient Seebeck, V est la différence de tension entre les deux métaux conducteurs. T est la différence de température entre les côtés chaud et froid.  Le résultat du calcul du coefficient Seebeck est directement dépendant d’un autre facteur. En effet, si le matériau semi-conducteur est de type n, les porteurs sont des électrons. Dans ce cas, le V sera positif et, quant au coefficient Seebeck, il sera négatif. Si par contre le matériau semi-conducteur est de type p, la différence de potentiel sera négative et donc le coefficient Seebeck sera positif.  La quantité de métaux conducteurs est relativement importante. Ces métaux ont des sensibilités thermoélectriques différentes, par conséquent, des coefficients Seebeck différents.

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Thomas Johann Seebeck (1770-1931)

Physicien allemand qui a découvert (1821) qu’un courant électrique circule entre différents matériaux conducteurs maintenus à des températures différentes, connu sous le nom d’effet Seebeck. C’est la base du thermocouple et il est considéré comme la mesure de température la plus précise. C’est aussi un composant clé du semi-conducteur, le fondement de l’informatique moderne. Le travail de Seebeck était à la base des découvertes du physicien allemand Georg Simon Ohm (1789-1854) en électricité et du physicien français Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845), dont l’effet Peltier est devenu bien connu comme un moyen d’utiliser l’électricité pour geler l’eau (air conditionnement, réfrigération).

https://instrumentys.com/2021/08/15/comment-fonctionne-leffet-seebeck-definition-et-formule/

https://nitum.wordpress.com/2012/10/08/biography-of-thomas-johann-seebeck/

https://todayinsci.com/12/12_10.htm#death