Efecto Peltier y Enfriamiento Peltier
El efecto Peltier, nombrado en honor al físico francés Jean Charles Athanase Peltier quien lo descubrió en 1834, representa la presencia de calentamiento o enfriamiento en una unión electrificada de dos conductores diferentes. Este fenómeno es el análogo al efecto Seebeck. A diferencia de generar una diferencia de potencial a través de dos puntos con uniones a diferentes temperaturas, el efecto Peltier utiliza una fuente electromotriz para impulsar una corriente, calentando una unión y enfriando la otra.
Coeficiente Peltier
El efecto Peltier se describe cuantitativamente por el coeficiente Peltier (π), determinado por la relación entre la corriente (I) y la tasa de calentamiento (q): π = I/q. Este coeficiente indica cuánto calor se transporta por unidad de carga, siendo su signo determinado por la unión que se calienta o enfría.
Bombas de Calor Peltier
Las bombas de calor Peltier típicas incluyen múltiples uniones en serie, a través de las cuales se conduce una corriente. Algunas de estas uniones pierden calor debido al efecto Peltier, mientras que otras ganan calor. Este fenómeno se explota en bombas de calor termoeléctricas y dispositivos de enfriamiento termoeléctrico, como los encontrados en refrigeradores.
Efecto Thomson
En diferentes materiales, el coeficiente Seebeck no es constante con respecto a la temperatura, generando un gradiente en el coeficiente Seebeck si se aplica un gradiente de temperatura. Si se conduce una corriente a través de este gradiente, se producirá una versión continua del efecto Peltier. El efecto Thomson describe la corriente eléctrica resultante que se desarrolla en un solo conductor cuando se aplica un pequeño gradiente de temperatura. Esta relación se describe con la ecuación: q = βIΔT, donde q es la tasa de calentamiento, I es una corriente eléctrica, ΔT es el cambio en temperatura, y β es el coeficiente Thomson.
Relaciones de Kelvin
Lord Kelvin vinculó los tres coeficientes termoeléctricos en las relaciones de Kelvin. Estas ecuaciones describen cómo se interrelacionan los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson. El efecto Peltier se puede considerar como la acción recíproca al efecto Seebeck: si se cierra un circuito termoeléctrico simple, el efecto Seebeck impulsará una corriente que, a su vez, transferirá calor del punto caliente al frío por el efecto Peltier.
Materiales Termoeléctricos
Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica mediante la conversión termoeléctrica. La fuente de calor puede ser motores de combustión, luz solar, reacciones químicas o desintegración nuclear. Estos materiales deben tener alta conductividad eléctrica (σ) y baja conductividad térmica (κ) para ser eficientes. La baja conductividad térmica asegura que, al calentar un lado, el otro permanezca frío, generando un gran voltaje en un gradiente de temperatura.
Semiconductores Termoeléctricos
Durante muchos años, los principales semiconductores conocidos por su baja conductividad térmica y alto factor de potencia son el telururo de bismuto (Bi2Te3), telururo de plomo (PbTe) y Silicio germanio (SiGe). La elección del material depende de las características de la fuente de calor, el sumidero frío y el diseño del generador termoeléctrico. Hoy en día, la conductividad térmica de los semiconductores puede reducirse sin afectar sus propiedades eléctricas utilizando nanotecnología. Esto se logra creando características a nanoescala, como partículas, cables o interfaces en materiales semiconductores masivos.
