Efecto Thomson y la Termoelectricidad
La termoelectricidad, un fenómeno fascinante en el campo de la física, se genera mediante el efecto termoeléctrico. Este efecto se define como la conversión directa de diferencias de temperatura en voltaje eléctrico y viceversa, a través de un termopar. Cuando se calientan dos materiales disímiles unidos, se produce una transferencia de electrones entre los materiales, generando un flujo de corriente. Esta interacción entre calor y electricidad se manifiesta en tres efectos principales: el efecto Seebeck, el efecto Peltier y el efecto Thomson.
Efecto Seebeck
Descubierto por Thomas Seebeck en 1821, el efecto Seebeck ocurre cuando una diferencia de temperatura entre dos conductores o semiconductores eléctricamente disímiles produce una diferencia de voltaje entre ellos. Si existe un gradiente de temperatura en la unión de dos conductores disímiles conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, se produce un voltaje. Este voltaje depende del coeficiente Seebeck (S), definido como S = V/ΔT, donde V es el voltaje generado y ΔT es la diferencia de temperatura entre las dos uniones en el termopar.
Efecto Peltier
El efecto Peltier, descubierto por Jean Charles Athanase Peltier en 1834, es análogo al efecto Seebeck. Este fenómeno implica el calentamiento o enfriamiento en una unión electrificada de dos conductores diferentes. En lugar de generar una diferencia de potencial a través de las uniones J1 y J2 mantenidas a diferentes temperaturas, el efecto Peltier utiliza una fuente electromotriz para impulsar una corriente, calentando una unión y enfriando la otra. El coeficiente Peltier (π) se determina por la relación de la corriente (I) con la tasa de calentamiento (q): π = I/q. Representa cuánto calor se transporta por unidad de carga, y su signo depende de cuál unión se calienta y cuál se enfría.
Efecto Thomson
El efecto Thomson describe la corriente eléctrica resultante que se desarrolla en un solo conductor cuando se aplica un pequeño gradiente de temperatura. En diferentes materiales, el coeficiente Seebeck no es constante en temperatura, por lo que un gradiente espacial en temperatura puede resultar en un gradiente en el coeficiente Seebeck. Si se impulsa una corriente a través de este gradiente, entonces ocurre una versión continua del efecto Peltier. La relación en el efecto Thomson se describe por 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 todos estos tres coeficientes termoeléctricos en las relaciones de Kelvin. Estas ecuaciones describen cómo los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson se interrelacionan. El efecto Peltier puede considerarse como la contraparte de acción inversa al efecto Seebeck: si un circuito termoeléctrico simple se cierra, entonces el efecto Seebeck impulsará una corriente, que a su vez (por el efecto Peltier) siempre transferirá calor del punto caliente al frío. La estrecha relación entre los efectos Peltier y Seebeck se puede observar en la conexión directa entre sus coeficientes: la segunda relación de Thomson: Π = TS, donde Π es el coeficiente Peltier, T es la temperatura absoluta, y S es el coeficiente Seebeck.
La termoelectricidad y sus efectos subyacentes, como el efecto Thomson, ofrecen un vasto campo de estudio y aplicación, desde la generación de energía hasta sistemas de refrigeración, desempeñando un papel crucial en el desarrollo de tecnologías sostenibles y eficientes.
