Efecto Seebeck, Peltier y Thompson

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Efecto Seebeck, Peltier y Thompson MARTES, 7 DE ABRIL DE 2009

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I INTRODUCCIÓN 1.1 EFECTO SEEBECK

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2009 (1) ▼ abril (1) I I NTR NTRODU ODUCCIÓN CCIÓN 1.1 EFECTO SEEBECK En 1821 el cie...

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En 1821 el científico alemán Thomas Johann Seebeck Seebeck (1770 − 1831) 18 31) encontró que un circuito conformado por la unió n de dos metales distintos deflectaba deflectaba la aguja de una brújula al colocar a distintas temperaturas tem peraturas las soldaduras entre los dos metales. Para 1822 sus resultados experimentales fueron publicados en los Proceedings de la academia academ ia prusiana de ciencias bajo el título Polarización magnética de metales y Ores por diferencia de temperatura.

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Sólo dos años antes Hans Christian Oersted (1777−1851) había descubierto desc ubierto que la circulac circulación ión de una corriente a través de un conductor conduc tor tenía efectos similares sobre la aguja de una brújula. Este hecho, sumado sumado a los estudios posteriores por posteriores por Ampére, Biot, Ampére, Biot, Savart y Laplacee entre otros, sobre la interacc Laplac interacción ión entre una corriente eléctrica y el campo magnético, llevó a Oersted a rebautizar el fenómeno, originalmente denominado termo magnetismo por Seebeck, como termoelectricidad. Oersted comprendió que era una diferencia de potencial eléctrico lo que la diferencia de temperaturas temperaturas inducía sobre el circuit circuito. o. Más aún, la relación entre el voltaje generado y la diferencia de temperatura temperatura se demostró demos tró lineal, caract caracterizada erizada por el denominado coeficiente Seebeck o poder termoeléctrico.

1.2 EFECTO PELTIER http://tcofi si ca.bl ogspot.cl /

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Jean Charles Athanase Peltier (1785 − 1845), un relojero y meteorólogo Francés encontró en 1834 que la circulación de corriente a través de un circuito conformado por dos metales distintos puede emitir o absorber calor en la juntura de los mismos, dependiendo de la dirección de la corriente. La cantidad de calor absorbida o emitida en la juntura resulta proporcional a la corriente eléctrica mediante el coeficiente Peltier. Al igual que Seebeck, la interpretación original de Peltier fue errónea, argumentando la invalidez del efecto Joule (El efecto Joule predice la disipación de energía en forma de calor cuando una corriente atraviesa un conductor de resistencia fi nita) a bajas corrientes. La correcta interpretación del fenómeno llegaría recién en 1838, en un trabajo por parte de Emily Lenz (1804 − 1865).

1.3 EFECTO THOMPSON

Otros veinte años debieron pasar para que William Thompson ( Años más tarde, William Thompson resultaría más conocido como Lord Kelvin ) desarrollara explicaciones detalladas de los efectos Seebeck y Peltier, describiendo la interrelación termodinámica entre ambos. En este estudio, Thompson predice además la existencia de un tercer efecto termoeléctrico, hoy conocido como efecto Thompson en el cual http://tcofisica.blogspot.cl/

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se absorbe o emite calor cuando una corriente recorre un material en el que existe un gradiente de temperaturas. En este caso la cantidad de calor asociada es proporcional a ambos, el gradiente térmico y la corriente circulante, a través del coeficiente Thompson.

II FUNDAMENTOS 2.1 EFECTO SEEBECK

El efecto Seebeck puede explicarse en términos de la teoría de electrones libres en metales. Según esta aproximación, los electrones en un metal se mueven al azar, sin sufrir el efecto de fuerza neta alguna, al estar rodeados por otros io nes en forma simétrica. Cerca de la superficie del material, empero, la situación es diferente, debido a la rotura de la simetría. Si ahora se colocan dos materiales formando una juntura, la diferencia en densidades electrónicas a ambos lados de la interfase se traduce en una fuerza neta sobre los electrones, que tienden a moverse del material con mayor densidad a aquel con menos. Este flujo de electrones induce la aparición de un campo eléctrico y consecuentemente de una diferencia de potencial en la juntura. Consideremos ahora un circuito formado por dos de estas junturas puestas en serie, en lo que comúnmente se denomina una termocupla. Si la temperatura de las dos junturas que conforman la termocupla es la misma, los campos eléctricos formados en cada juntura tendrán igual módulo, pero signos distintos, por lo que la diferencia de potencial a lo largo de todo el circuito será nula. Si por otro lado, una de las junturas está a mayor temperatura, los electrones de la juntura más caliente vibrarán más y el campo eléctrico generado en esta juntura será distinto (mayor) al generado en la juntura a menor temperatura. De esta manera, la diferencia de temperaturas entre las junturas se evidencia como una diferencia de potencial en el circuito. Un circuito formado por dos metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, T y T+DT, aparece una corriente eléctrica J, o bien, si se abre el circuito una fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) EAB que depende de los metales utilizados en la unión y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

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La relación entre la f.t.e.m., EAB, y la diferencia de temperaturas entre las uniones, DeltaT, define el coeficiente Seebeck:

alphaA(T) y alphaB(T) son respectivamente las potencias termoeléctricas absolutas de A y B y son características de cada metal. En general, alphaAB no es constante, sino que depende de la temperatura T.

2.2 EFECTO PELTIER Existe un campo eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra. Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura. La potencia calorífica intercambiada en la unión entre A y B es:

donde piAB es el llamado coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma:

J: flujo de corriente eléctrica S: superficie T: temperatura absoluta (K) alphaA , alphaB : coeficiente Seebeck de los materiales A y B respectivamente

2.3 EFECTO THOMPSON El efecto Thompson implica la aparición de un flujo de calor al circular una corriente a través de un gradiente de temperatura en un material. Supongamos un conductor por el cual circula una corriente de calor, más no una corriente eléctrica. Esto induce la aparición de una distribución de temperaturas en el material, governada por los coeficientes cinéticos. Supongamos ahora que cada punto del material es conectado a un baño térmico de igual temperatura. La igualdad de temperaturas entre el material en cada punto y el baño correspondiente implica que no habrá intercambio de calor entre éstos y el material. Si ahora se inyecta una corriente eléctrica, ocurrirá un intercambio de energía entre el material y los reservorios


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El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J será:

donde sigma es el coeficiente Thomson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thomson, reversible.Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, se llega a

Quedando para la unión:

III Aplicaciones

3.1 TERMOMETRÍA El efecto Seebeck implica la aparición de una diferencia de potencial entre dos junturas de dos materiales distintos, al ser sometidas a una diferencia de temperaturas. Dicho voltaje resulta proporcional a la diferencia en temperaturas, por lo cual resulta natural el uso de dicho efecto en la medición de temperaturas. Una vez calibrado, el circuito puede ser utilizado para la medición de la temperatura de la juntura A, si la juntura B es colocada a una temperatura conocida( juntura de referencia ). Es práctica común utilizar un baño de agua en equilibrio térmico con hielo como temperatura de referencia, de forma tal que la diferencia T2 − T1 sea directamente T2 en grados Celsius. Sin embargo, los sistemas comerciales hacen uso de algún circuito electrónico para proveer un voltaje a la juntura de referencia, el cual, una vez calibrado, sigue a la temperatura ambiente, de forma tal de prescindir del baño térmico. Estos circuitos son conocidos como puntas frías electrónicas. Existen diversos tipos de termopares, las cuales resultan adecuadas en mayor o menor medida dependiendo de los requerimientos. A continuación se listan los tipos más comunes, así como una breve http://tcofisica.blogspot.cl/

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descripción de sus virtudes e inconvenientes. ‐Tipo K: También conocido como termopar Chromel Alumel( El Chromel es una aleación de aproximadamente 90% de níquel y 10 % de cromo. El Alumel es una aleación de 95% de níquel, más alumi nio, silicio y manganeso). Estos termopares tienen un amplio rango de temperaturas (−200 a 1100 ºC) y son los más utilizados en la industria. Su curva de calibración es razonablemente lineal, con una sensibilidad de = 41 μV/ºC. ‐Tipo J: También conocido como termopar Hierro Constantán ( El Constantán es una aleación de 55% de cobre y 45% de níquel ). Estos termopares resultan satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760 ºC. Por encima de 540 ºC, el alambre de hierro se oxida rápidamente, alambre de mayor diámetro se utiliza para extender su vida útil. La ventaja fundamental del termopar Tipo J es su bajo costo. ‐Tipo E: También conocida como termopar Chromel Constantán. Posee la mayor fem de salida de todos los termopares estándar. Para un diámetro de 3.25 mm su rango de trabajo es −200 a 980 ºC. Estos termopares se desempeñan satisfactoriamente en atmósferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente adecuados para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero a raíz de su elevada fem de salida y su buena resistencia a la corrosión. ‐Tipo T: También conocida como termopar Cobre Constantán. Resulta satisfactorio para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes. Su desventaja reside en el hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370 ºC para un diámetro de 3.25 mm. ‐Tipo B: Estos termopares están compuestos de una rama de una aleación Platino Rodio 30% y una rama de Platino Rodio 6 %. Resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700 ºC. También resultan satisfactorias durante cortos períodos de tiempo en vacío. Sus desventajas son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser utilizada en atmósferas reductoras (Hidrógeno o monóxido de carbono) o cuando se encuentran presentes vapores metálicos (Plomo o zinc ) o no metálicos (Arsénico, fósforo o azufre). ‐Tipo S: Estos termopares están compuestos de una rama de una aleación Platino Rodio 10% y una rama de Platino. Es el estándar internacional para la determinación de temperaturas entre el punto de solidificación del antimonio (630.74 ºC) y el punto de solidificación del oro (1064.43 ºC). ‐Tipo R: Estos termopares están compuestos de una rama de una aleación Platino Rodio 13% y una rama de Platino. Los termopares Tipo R pueden ser utilizados en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta (1400 ºC). No son tan estables como las Tipo B en vacío, pero tienen la ventaja de una mayor fem de salida.

3.2 GENERACIÓN DE ENERGÍA Otra utilización del efecto Seebeck es la generación de energía eléctrica a partir de alguna fuente térmica. Si bien los voltajes generados por los dinstintos tipos de termopares son relativamente pequeños, basta poner gran cantidad de éstas en serie para lograr http://tcofisica.blogspot.cl/

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voltajes más importantes.

Un ejemplo de ésto es la termopila. En este dispositivo, el arreglo de termopares sigue el esquema de la figura. Uno de los lados de la termopila, el cual contiene las junturas calientes es pintado de negro, de forma tal que absorba la mayor cantidad posible de radiación incidente. Las junturas frías, por su parte, son colocadas en un extremo espejado, de forma tal de reflejar la radiación incidente. La diferencia de temperaturas inducida por la luz incidente es entonces transformada en un voltaje útil. Otro arreglo de termopares, denominado Generador Termoeléctrico de Radioisótopos, hace uso del calor de decaimiento de materiales radioactivos para la generación de la diferencia de temperaturas.


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Los avances en las técnicas de litografía óptica y electrónica permiten la fabricación de Termopilas (Arriba) y Refrigeradores termoeléctricos (Abajo).

3.3 REFRIGERACIÓN Y CALEFACCIÓN El efecto Peltier es utilizado en algunos equipos como sistema de refrigeración, y en menor medida como calefactor. Tal y como en el caso de las termopilas y generadores termoeléctricos, se hace uso de arreglos de grandes cantidades de junturas, ordenadas de forma tal de extraer una cantidad de calor importante de un lado y llevarla a l lado opuesto.

La figura muestra una unidad de refrigeración basada en el efecto Peltier. Este dispositivo particular tiene 40 × 40 × 4 mm3, y con una corriente de = 8.5 A permite lograr una diferencia de hasta 64 ºC entre sus caras. Estas unidades son muy utilizadas como refrigeradores en equipos electrónicos, debido a sus reducidas dimensiones. http://tcofisica.blogspot.cl/

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En los últimos años, nuevas técnicas de construcción han permitido el desarrollo de estos dispositivos en escalas micrométricas. En la figura se observa una fotografía comparativa de los nuevos prototipos de refrigeradores termoeléctricos frente a las unidades estándard. En este caso, las dimensiones son 0.65 × 0.55 × 0.424 mm3.

IV BIBLIOGRAFIA

‐http://www.unavarra.es/ets02/Introduccion%20a%20TE(c).htm ‐http://cabbat1.cnea.gov.ar/~jsereni/cursos/Ef_Termoel_Chial.pdf

V GRUPO Ivan Cachafeiro

Publicado por Ivan en 2:05

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