LABORATORIO N 03 EFECTO TERMOELECTRICO OBJETIVOS - Estudiar la conversión conversión de la energía energía térmica en eléctrica PRINCIPIOS TEORICOS
PAR TERMOELÉCTRICO, TERMOCUPLA O TERMÓMETRO TERMOELÉCTRICO
Una termocupla es un sensor para medir temperatura. Consiste en dos cables de metales disntos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltae asoc asocia iado do a una una temp temper erat atur ura. a. Ese Ese volt volta ae e es medi medido do por por un term termóm ómet etro ro de termocupla. !as mediciones de temperatura que uli"an termocuplas o termopares se basan en el desc descub ubri rimi mien ento to #ec# #ec#o o por por $eeb $eebec ec% % en &' &'(& (&.. Este Este se pued puede e resu resumi mirr de la siguiente manera) una corriente *u+e en un circuito connuo de dos alambres de disnt disntos os meta metales les,, si las cone conexio xiones nes o unione unioness se encuen encuentr tran an a tempe tempera ratur turas as disntas. disntas. !a corriente ser proporcional a la dierencia de temperatura temperatura entre las dos uniones. !o anterior se puede representar seg/n el siguiente esquema en que la sonda termoeléctrica acciona el galvanómetro galvanómetro 0aparato para uer"as electro motrices1)
En la prcca, la soldadura de reerencia permanece a temperatura ambiente, en general dentro del mismo instrumento. Como usualmente el galvanómetro est a apreciable distancia 0entre & + &22 metros1 de la soldadura caliente + sería mu+ costoso prolongar metales de la termocupla #asta esas distancias, se intercala entre la termocupla + el galvanómetro un cable llamado cable de compensación. Este es de una aleación especial que no orma termocupla con los metales ni con los bornes del instrumento, no alterando prccamente las indicaciones del galvanómetro.
DETERMINACIÓN DE LA POLARIDAD Cuando t 3 t2, se genera corriente en 0&1. El sendo de la corriente que llega a la unión 0(1, 0ría1 determina el signo del conductor, como de la .e.m. El electrodo posivo 041 es aquel que la corriente se dirige en una soldadura cu+a temperatura t2 t + negavo 0-1 a la corriente que sale del mismo 0(1. 5ariando la temperatura t2 3 t, cambia el sendo de la corriente en las uniones, pero el signo del electrodo permanece invariable puesto que la corriente llega a la unión ría 0&1. El subíndice 061 se escribe primero, luego el 7 negavo en el símbolo de la .e.m.) C67, 6 8 4, 7 8 -
GENERACIÓN DE LA FUERZA ELECTROMOTRIZ !a generación de la .e.m se basa en la existencia de electrones libres en los metales. !a densidad de los electrones libres 0su candad por unidad de volumen1 no es igual9 por eso en los puntos de contacto de los metales #eterogéneos, por eemplo en la unión 0&1, los electrones se undirn del metal 6 al 7 0que ene menor densidad de electrones libres1 en ma+or candad que en dirección inversa o sea del metal 7 al 6. El campo eléctrico que surge en este caso en el lugar de la unión, obstaculi"ar dic#a diusión + cuando la velocidad de transición por diusión de electrones llegue a ser igual a la velocidad de transición de estos, bao la in*uencia del campo establecido, comen"ara un estado de equilibrio dinmico. En tales condiciones, entre los metales 6 + 7 se aparece cierta dierencia de contacto de los potenciales. Como la densidad de los electrodos libres, también dependen de la temperatura del contacto de dic#os conductores, a cualquier temperatura surgir una .e.m. C670t1-0t1, llamada uer"a electromotri" de contacto, cu+o valor + sigo dependen de la naturale"a de los metales + la temperatura t del punto de contacto.
En un conductor cerrado termo eléctricamente #omogéneo a todo lo largo del mismo, no surge corriente térmica al calentar de un modo desigual sus partes. $in embargo esto no quiere decir que el mismo no sura uer"a termoeléctrica motri". En un conductor no cerrado, si se #a calentado desigualmente en sus extremos puede surgir una dierencia de potencial. :epende solo de las temperaturas en los extremos del conductor + no de la distribución de estas a lo largo del mismo.
PROCEDIMIENTO: 6rmar el siguiente esquema) Leyenda: &.- ;uente alterna,((2v, <2 =". (.- >nstrumento medidor + regulador de temperatura, ?.- Contactor. @.- Aermocupla. B.- =orno 0cocinilla1
!a variable para medir la temperatura es el voltae generado en la unión de dos metales dierentes, el cual varía al cambiar la temperatura.
6limentar con tensión de ((2v a la cocinilla, #asta que el agua entre en ebullición. Una ve" logrado ello, introducir la termocupla al recipiente.
En el instante de ebullición tomar medidas de temperatura @ veces 0con el termómetro de =g1, anotar al mismo los milivolos que indica el =:C.
ºC '2.B '&.2 '.2 .B
ΔV 2.? 2.B 2.< 2.<
:esconectar la tensión a la cocinilla.
:urante el enriamiento lento del agua, reali"ar mediciones de)
temperatura 0termómetro de =g1 milivolos 0que indica el =:C1
CUESTIONARIO 1.
Describir ls crc!er"s#cs $e l%s ele&e'!%s $e l%s es()e&s I * II.
a1 Sensor b!e"#$%o: Es un aparato constuido de dos ras delgadas de metales dierentes que se unen a todo lo largo. b1 Con"a%"or: Es un aparato mecnico de conexión accionada por un electroimn. Cuando la bobina del electroimn esta accionado, el contactor se cierra deando pasar la corriente. En el momento en el que la bobina dea de ser acciona 0alimentada1 el contactor se abre bao los eectos de los resortes de presión de los polos. c1 Ter!o%&'$a: Es un instrumento que consiste en dos conductores, cobre + constantan que estn unidos por torsión es sus extremos, ormando un circuito, que al calentar uno de sus extremos permaneciendo el otro río surge una corriente eléctrica. d1 In"err&'"or de %on"ro$: Este es usado con el sensor bimetlico, el sensor bimetlico al elongarse #ace contacto con este interruptor, + este les comunica a la bobina del contactor + esta abre el circuito, mientras éste caliente, pero al disminuir la temperatura nuevamente se acciona el circuito. e1 Co%n$$a: Es un aparato que sirve para calentar al sensor bimetlico, este conecta al contactor.
+.
C)'!%s circ)i!%s el-c!ric%s cerr$%s/ e0is!e' e' el es()e& N I
En el diagrama > existen dos circuitos cerrados. a1 !&, #asta la entrada del Dc del termostato 0cuando los conductores estn presionando1 de la salida del DC del termostato #asta la entrada de la bobina del conductor + de la salida de la bobina del contactor #asta !(. b1 !& + !( a las entradas de dos no del contactor 0 que va a estar cerradas pues #a+ voltae en la bobina1 + de las salidas de los no del contactor #asta la de la cocinilla 0uno a la entrada + el otro a la salida de la cocinilla1
2. Dib)3r l !er&%c)4l )s$, i'$ic'$% l%s &!eriles $e s) c%&4%sici5' * l 4%lri$$ c%rres4%'$ie'!e:
tF
t2 =ilo de #ierro
Unión caliente
4
041
t H t2
tF Unión ría
unión ;ig. 0G1 0-1 ría
=ilo de cobre
=ilo de #ierro
4 J
t2
0-1 t H t2
unión ;ig. 0I1 caliente
=ilo de cobre
6. P%r el i'!err)4!%r $el c%'!r%l $el 17+ PDC8. 9)- c'#$$ $e c%rrie'!e l!er' circ)l. El interruptor simple es parte del circuito de control de la bobina del contactor. En la prcca no se uli"o el interruptor en orma de varilla.
. C%'s!r)ir l c)r; $e re<)lci5' $e l !er&%c)4l )s$, c%' re=ere'ci l 4)'!% $e eb)llici5' $el <) Te&4er!)r >C ;s. Mili;%l#%s/ :atos a graKcar) Te!'era"&ra( 0 C) Tens*n(!V) .B 2.< 'L.B 2.B LB.B 2.@ <2.B 2.? B&.B 2.( @2.B 2.& (2.B 2.2
CURVA DE REGULACION DE LA TERMOCUPLA VOLTAJE VS. TEMPERATURA
0.70 0.60
) V 0.50 m ( E 0.40 J A T 0.30 L O V 0.20
0.10 0.00 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 10 0 TEMPERATUTA(C)
?.
O@SERACIONES B CONCLUSIONES
El circuito elaborado en el laboratorio nos da la idea de poder usarlo en un circuito de seguridad, por eemplo un circuito que nos corte el paso de la corriente eléctrica cuando se alcance una temperatura críca evitando así posibles accidentes. Aambién se pudo apreciar que con el uso del termostato podemos controlar el *uo de la corriente eléctrica por medio de la temperatura. El termostato esta en unción a la temperatura, no al empo que permanece expuesto al calor. 6 cierta temperatura la termocupla permite el paso de la corriente, una cierta candad de voltae 0milivolos1 que esta en relación con la temperatura. 6 ma+or temperatura, ma+or candad de milivolos + a menor temperatura, menor candad de milivolos. Es sensor de temperatura, 0termostato1 bimetlico ase observa que al calentar un extremo del sensor, los metales se dilatan, esto #ace que el extremo del metal #aga contacto con el interruptor del control. !a termocupla desarrolla una uer"a electromotri" debido a que en sus extremos #a+ una dierencia de temperaturas. Esta .e.m. ser posiva si la temperatura del extremo de trabao es ma+or que el otro extremo.
EFECTO TERMOELECTRICO
$e puede demostrar la existencia de termoelectricidad mediante un sencillo aparato, consistente en dos tro"os de alambre de cobre unidos a un tramo de alambre de #ierro, mediante dos empalmes9 los otros extremos de los alambres de cobre estn conectados a un galvanómetro mu+ sensible. Creando una dierencia de temperatura entre las uniones, meendo una en agua con #ielo + poniendo la otra.
TERMOC+PLAS: En el año &'(&, $eebec% notó que al untar dos conductores de metales disntos, de manera que se orme un circuito eléctrico cerrado, *uía una corriente eléctrica que dependía de la dierencia de temperatura entre las unturas.
!a Kgura despliega una MtermocuplaM donde los cables metlicos 6 + 7 son disntos 0alambres de cobre + de constantan, por eemplo1 + A & + A( son dos temperaturas disntas9 la letra MiM representa la corriente que *u+e 0en la dirección indicada por las *ec#as1 cuando A & N A(. En tal caso el metal 6 se dice termoeléctricamente posivo respecto del metal 7. El estudiante recordar el enómeno, como propiedad de los metales, de modo que a#orraremos aquí las explicaciones del principio de uncionamiento de una termocupla + bastar destacar que es gracias a las propiedades undamentales de los metales que se puede construir una termocupla. 6 pesar de lo anterior, es importante destacar que las termocuplas uncionan con un punto río + otro caliente. !a Muntura ríaM suele ser parte del instrumento ampliKcador, asunto que debe ser veriKcado al seleccionar equipos. Existen varios pos de termocupla, puesto que cualquier par de metales conormaría un po determinado. $in embargo, la empírica #a llevado al uso de ciertos pos estandari"ados, a los que se les cita por una letra 0las ms picas son las po O, P + A1. Cada po diKere en el material de los metales 6 + 7. 6l dierir los materiales de construcción diKeren los rangos de trabao, el voltae generado por unidad de grado + la mxima temperatura /l 0antes que se unda1. Qor su naturale"a, las termocuplas presentan una resistencia prccamente nula + su capacidad de generar potencia es mu+ débil. El ampliKcador a uli"ar debe solicitar el mínimo posible de corriente desde la termocupla.
.
,es%rbr $as %ara%"er-s.%as de $os e$e!en"os de $os es/&e!as I
y II 1 F&en"e a$"erna: Es de ((2 volos + <2 =ert". g1 Con"a%"or: Es un interruptor accionado a distancia, abre + cierra los contactos, merced al despla"amiento mecanico de una pie"a, que es atraida por el campo magneco creado por la bobina alimentada por corriente alterna o connua. . #1 Ter!o%&'$a: Es un disposivo que permite detectar la variación de temperatura que se produce en un sistema debido a la dierencia de potenciales 0uer"a electromotri" 1. i1 1orno(%o%n$$a e$e%"r%a ) : consta de una resistencia termica en su interior que al paso de la corriente despide calor. 1 Ter!os"a"o : >nstrumento regulador de la temperatura, el cual ordena al contactor a acvarse o desconectarse dependiendo si la temperatura baa o desciende de un limite, para esto consta de un bimetalito.
. C&#n"os %r%&"os e$2%"r%os (%errados) es"en en e$ es/&e!a Nº I Existen ? circuitos cerrados ) El circuito de la termocupla, cocinilla con el contactor + bobina del contactor con termostato
7. ,b&4ar $a "er!o%&'$a &sada5 nd%ando $os !a"era$es de s& %o!'os%*n y $a 'o$ardad %orres'onden"e:
1>.Por e$ n"err&'"or de$ %on"ro$ de$ 678 P,C9 &2 %an.dad de %orren"e a$"erna %r%&$a El interruptor simple es parte del circuito de control de la bobina del contactor. En la prcca no se uli"o el interruptor en orma de varilla.
CONCL+SIONES ; RECOMEN,ACIONES
El incremento de temperatura es directamente proporcional al incremento de los milivolos. $e constata que la termocupla es un buen sensor de la temperatura.
!as lecturas seran conKables si se manene a buena distancia la punta ria respecto a la caliente. Qara darle buen eso a las termocuplas se debe saber su rango de lecturas + no excederse de ellas.
OBSERVACIONES En la pracca se experimenta la orma de uncionamiento de la termocupla + sus accesorios, la ma+or parte de transerencia de calor por conducción o convencion de equipos, enen este disposivo que indica la temperatura. !a termocupla esta diseñada para soportar altas o baas temperaturas, su uso en la industria es mu+ variada, tal como en reactores, tuberías de vapor, intercambiadores de calor, #ornos.
