Énergie magnétothermoélectrique : interaction des champs magnétiques et des effets thermoélectriques

Introduction

L'énergie magnétothermoélectrique est un phénomène qui implique l'interaction d'un champ magnétique externe avec les propriétés thermoélectriques d'un matériau. Ces dernières années, ce domaine d'interaction a fait l'objet d'une grande attention en raison de ses applications potentielles dans la conversion de l'énergie, la conception de matériaux avancés et les dispositifs thermoélectriques de la prochaine génération. Une meilleure compréhension de l'interaction des champs magnétiques avec les matériaux thermoélectriques ouvre de nouvelles voies pour améliorer l'efficacité des systèmes de collecte d'énergie et de refroidissement.

Qu'est-ce que l'énergie thermoélectrique ?

L'énergie thermoélectrique, également appelée effet Seebeck, désigne la génération d'une tension électrique ou d'une force électromotrice due à la différence de température dans un matériau. Cette tension est générée par le flux de porteurs de charge - électrons ou trous - du côté chaud vers le côté froid, sous l'effet du gradient thermique. Le coefficient Seebeck quantifie l'ampleur de la tension thermoélectrique développée par unité de différence de température dans un matériau.

La recherche de matériaux à haut rendement thermoélectrique présente un grand intérêt pour les applications énergétiques, notamment la récupération de la chaleur perdue et les systèmes de refroidissement. Les matériaux thermoélectriques courants sont des matériaux semi-conducteurs, tels que Bi₂Te₃ et PbTe, qui ont démontré d'excellentes propriétés thermoélectriques dans des conditions spécifiques.

Rôle des champs magnétiques dans la thermoélectricité

Leschamps magnétiques peuvent grandement influencer le comportement des porteurs de charge dans un matériau, modifiant ainsi ses propriétés électriques et thermiques. Cette interaction entre un champ magnétique et l'effet thermoélectrique est communément appelée effet magnétothermoélectrique. Lorsqu'un gradient de température et un champ magnétique sont appliqués à un matériau, les porteurs de charge sont soumis à des forces supplémentaires dues à la force de Lorentz, agissant dans une direction perpendiculaire à la fois à leur direction de mouvement et au champ magnétique lui-même. Cela peut modifier la distribution des porteurs de charge à l'intérieur du matériau et donc affecter la tension thermoélectrique générée.

L'influence du champ magnétique sur la puissance thermoélectrique peut en effet être à la fois positive et négative, en fonction de diverses conditions telles que le type de matériau, la température et l'intensité du champ magnétique. En interagissant avec les champs magnétiques, cette nouvelle classe de matériaux peut présenter des propriétés thermoélectriques améliorées ou accordables, ce qui peut se traduire par de meilleures performances dans les applications de conversion d'énergie thermoélectrique ou de réfrigération.

Mécanisme de l'énergie magnétothermique

Le principe de base de l'énergie magnétothermoélectrique peut être expliqué par l'effet Nernst-Ettingshausen, dans lequel une tension transversale est induite en raison d'un gradient de température sous un champ magnétique. Sous l'effet d'un gradient thermique et d'un champ magnétique, les porteurs de charge se déplacent sur une trajectoire courbe en raison de la force de Lorentz. En raison de cette action de courbure, il y aura une accumulation de charge le long des bords de l'échantillon, ce qui entraînera une tension transversale.

Mathématiquement, la tension de Nernst, V, peut s'écrire comme suit :

Explication :

V = -α*∇T*B

Où :

- V est la tension induite,

- α est le coefficient de Nernst, qui est spécifique au matériau,

- ∇T est le gradient de température,

- B est l'intensité du champ magnétique.

Dans l'équation donnée, la tension est générée perpendiculairement au champ magnétique et à la direction du gradient de température. Cela donne lieu à la modulation de la puissance thermoélectrique en présence d'un champ magnétique.

Matériaux présentant des effets magnétothermiques

Tous les matériaux ne présentent pas d'effets magnétothermiques significatifs. Toutefois, certaines catégories de matériaux sont plus susceptibles de présenter des effets magnétothermoélectriques prononcés. Il s'agit notamment des matériaux suivants

1. Les isolants topologiques : Il s'agit de matériaux dont les propriétés globales sont isolantes, tandis que les états de surface sont conducteurs. En raison du fort couplage spin-orbite dans les isolants topologiques, les effets thermoélectriques et magnétothermoélectriques peuvent être considérablement renforcés.

2. Semi-conducteurs: Certains matériaux semi-conducteurs comme le Bi₂Te₃ et le PbTe peuvent présenter un pouvoir magnétothermique, en particulier lorsqu'ils sont dopés avec des éléments spécifiques ou conçus avec des architectures nanostructurées qui améliorent la mobilité des électrons et l'efficacité thermoélectrique.

3. Semi-conducteurs magnétiques : Les matériaux présentant à la fois des propriétés magnétiques et semi-conductrices, comme les ferromagnétiques semi-métalliques, présentent des interactions particulières entre le magnétisme et les propriétés thermoélectriques. Ces matériaux présentent un intérêt particulier pour les applications dans les dispositifs spintroniques, où le spin et la charge des électrons sont manipulés.

4. Graphène et autres matériaux bidimensionnels : Le graphène et d'autres matériaux bidimensionnels sont très prometteurs en raison de leur conductivité électrique élevée et de la possibilité d'ajuster les propriétés électroniques par dopage et modifications structurelles, ce qui permet d'obtenir des effets thermoélectriques et magnétothermoélectriques supérieurs.

Applications de l'énergie magnétothermoélectrique

1. Récolte d'énergie : La récupération d'énergie est l'une des applications les plus prometteuses de l'énergie magnétothermoélectrique et occupe une place importante dans la récupération de la chaleur perdue. L'utilisation des effets magnétothermoélectriques permet de concevoir des matériaux qui convertissent l'énergie thermique et magnétique en électricité avec une efficacité supérieure à celle des matériaux thermoélectriques conventionnels.

2. Refroidissement thermoélectrique : Les refroidisseurs thermoélectriques, utilisés pour la réfrigération et le contrôle de la température, sont également des bénéficiaires potentiels de l'effet magnétothermoélectrique. Les TEC peuvent atteindre des rendements de refroidissement plus élevés en optimisant les propriétés de leurs matériaux pour les gradients de température et les champs magnétiques, ce qui permet d'obtenir des performances plus élevées dans des applications aux exigences de refroidissement compactes.

3. Spintronique et informatique quantique : Les matériaux magnétothermiques peuvent contribuer grandement au développement de dispositifs spintroniques dans lesquels le spin des électrons, en plus de la charge, est utilisé comme vecteur d'information. Ces matériaux peuvent également contribuer aux applications de l'informatique quantique où les états quantiques de la matière sont manipulés pour effectuer des calculs.

4. Capteurs magnétiques : Les matériaux magnétothermiques sont utilisés dans les capteurs magnétiques qui peuvent détecter la présence et l'intensité des champs magnétiques. Ces capteurs ont une grande valeur dans de nombreuses applications différentes, telles que la surveillance industrielle, la détection environnementale ou même le diagnostic médical.

Conclusion

La magnétothermoélectricité est l'une des frontières les plus passionnantes de la science des matériaux et de la technologie de l'énergie. Les nouveaux développements de matériaux et les dispositifs qui tirent parti de l'interaction synergique des champs magnétiques et de l'effet thermoélectrique devraient permettre d'améliorer les performances dans les domaines de la collecte d'énergie, des applications de refroidissement et de l'électronique de pointe. La poursuite de la recherche offre un grand potentiel d'amélioration substantielle de l'efficacité et de la fonctionnalité des dispositifs thermoélectriques et magnétothermoélectriques pour des solutions énergétiques durables et des innovations dans les technologies quantiques.