Efecto Seebeck y Coeficiente Seebeck
El efecto Seebeck es un fenómeno en el que una diferencia de temperatura entre dos conductores o semiconductores eléctricos disímiles produce una diferencia de voltaje entre ambos. Este efecto es la base de los generadores termoeléctricos (TEG), también conocidos como generadores Seebeck, dispositivos de estado sólido que convierten directamente el flujo de calor (diferencias de temperatura) en energía eléctrica.
Generación de Termoelectricidad
La termoelectricidad se genera a través del efecto termoeléctrico, que es la conversión directa de diferencias de temperatura en voltaje eléctrico y viceversa. Al calentar dos materiales disímiles unidos, se produce una transferencia de electrones entre los materiales, generando un flujo de corriente. Este efecto fue reportado por primera vez por Thomas Seebeck en 1821.
El voltaje generado depende del coeficiente Seebeck (S), definido como S = V/ΔT, donde V es la diferencia de voltaje y ΔT es la diferencia de temperatura entre las dos uniones del termopar.
Efecto Peltier
El efecto Peltier, descubierto en 1834 por Jean Charles Athanase Peltier, es análogo al efecto Seebeck. Consiste en la presencia de calentamiento o enfriamiento en una unión electrificada de dos conductores diferentes. Se describe cuantitativamente por el coeficiente Peltier (π), determinado por π = I/q, donde I es la corriente y q es la tasa de calentamiento o enfriamiento. Este efecto es utilizado en bombas de calor termoeléctricas y dispositivos de refrigeración.
Efecto Thomson
El efecto Thomson, descrito por Lord Kelvin, ocurre cuando un gradiente de temperatura en un conductor produce un gradiente en el coeficiente Seebeck. Si una corriente fluye a través de este gradiente, se produce una versión continua del efecto Peltier. La relación se describe por la ecuación q = βIΔT, donde β es el coeficiente Thomson.
Las relaciones de Kelvin conectan los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson, mostrando cómo interactúan entre sí en los circuitos termoeléctricos.
Mecanismos del Efecto Termoeléctrico
Por ejemplo, al unir dos metales diferentes como el cobre y el zinc, puede ocurrir una transferencia de electrones. Los electrones abandonan los átomos de cobre y entran en los de zinc, creando un potencial de voltaje en la unión. A mayor calor aplicado, mayor es el potencial de voltaje generado.
Materiales Termoeléctricos
Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica. Deben poseer alta conductividad eléctrica (σ) y baja conductividad térmica (κ) para ser eficientes. Los principales semiconductores utilizados son el telururo de bismuto (Bi2Te3), el telururo de plomo (PbTe) y el germanio de silicio (SiGe).
Generador Termoeléctrico – Generador Seebeck
Los TEGs son utilizados para la generación de energía en ubicaciones remotas, en naves espaciales y en lugares donde se puede recuperar el calor residual. Las aplicaciones recientes incluyen ventiladores de estufa, iluminación alimentada por calor corporal y relojes inteligentes. A pesar de su fiabilidad y durabilidad, la eficiencia y el costo específico de potencia de estos dispositivos han limitado su uso más extenso. Se estima que con los materiales termoeléctricos actuales, la eficiencia está limitada a aproximadamente 1/6 de la eficiencia máxima posible de Carnot.
