Effet Peltier

L'effet Peltier (aussi appelé effet thermoélectrique) est un phénomène physique de déplacement de chaleur en présence d'un courant électrique. L'effet se produit dans des matériaux conducteurs de natures différentes liés par des jonctions (contacts). Une des jonctions se refroidit alors légèrement, pendant que l'autre se réchauffe. Cet effet a été découvert en 1834 par le physicien Jean-Charles Peltier.

La figure ci-contre montre le circuit thermoélectrique de base.

Deux matériaux conducteurs de natures différentes a et b sont reliés par deux jonctions en X et W. Dans le cas de l’effet Peltier, un courant électrique I est imposé au circuit, en plaçant par exemple une source de courant électrique entre Y et Z, ce qui entraîne une libération de chaleur Q à une jonction et une absorption de chaleur à l’autre jonction. Le coefficient Peltier relatif aux matériaux a et b Π_ab est alors défini par :

Si un courant imposé dans le sens Y→W→X→Z entraîne une libération de chaleur en X et une absorption en W, alors Π_ab est positif.

L’effet Peltier est lié au transport d’entropie par les porteurs de charge (électrons ou trous) au sein du matériau. Ainsi lorsqu'il y a dans le schéma de principe ci-dessus une libération de chaleur en X et une absorption en W, cela est dû au fait que les électrons ou les trous gagnent de l'entropie en passant du matériau b au matériau a en W (il y a donc absorption de chaleur), tandis que réciproquement ils reperdent de l'entropie en passant du matériau a au matériau b en X (il y a donc libération de chaleur).

On a en fait deux réactions chimiques (les espèces chimiques étant des défauts ponctuels du semi-conducteur) :

• une réaction endothermique, qui génère des charges électriques ;
• une réaction exothermique, qui annule les charges.

Les réactions ne sont possibles que s'il y a une circulation de charges entre les deux lieux sièges des réactions.

On peut faire une analogie avec une centrale thermique et un chauffage :

• la centrale thermique est une machine servant à transformer la chaleur en électricité ;
• l'électricité est transportée jusque chez le particulier ;
• cette électricité sert à produire de la chaleur avec un chauffage.

Dans l'effet Peltier, on s'intéresse à la capacité de la centrale thermique à absorber de la chaleur.

L'effet Peltier est à la base des systèmes de refroidissement par effet thermoélectrique :

• Refroidissement des microprocesseurs sur-cadencés, afin de limiter leur température. Bien que peu puissant, il est apprécié dans la mesure où il ne fait appel à aucune pièce mobile, et n'est donc source d'aucune nuisance sonore. Mais un problème persiste : celui de la condensation. En effet, de par sa nature même, l'effet Peltier crée un différentiel de température important entre deux plaques de métal, et une condensation se produit alors sur la partie la plus froide.
• Réfrigérateurs alimentaires de petite taille (par exemple de voiture) ;
• Refroidissement des solutions dans les laboratoires d'analyses biologiques et médicales ; Procédé utilisé dans le système de refroidissement des thermocycleurs.
• Containers utilisés pour le transport d’organes à transplanter ;
• Applications dans lesquelles les vibrations constituent une gêne considérable, comme par exemple les systèmes de guidage laser ;
• Applications pour lesquelles le bruit de fond électronique est gênant, par exemple pour l'analyse dispersive en énergie;
• Système de refroidissement des caméras d'astronomie;
• Système de refroidissement d'autodirecteurs infra-rouge de missiles air-air, par exemple sur le AIM-9 Sidewinder ou le MICA IR.

On peut noter que le phénomène inverse existe : une différence de température entre les deux jonctions W et X peut induire une différence de potentiel électrique, c'est l'Effet Seebeck. Lord Kelvin a montré que les effets Peltier et Seebeck sont liés, et que le coefficient Peltier est lié au coefficient Seebeck S par la relation :