Termoelectricidad: Una Mirada a los Termopares
La termoelectricidad es un fenómeno fascinante que se refiere a la conversión directa de diferencias de temperatura en voltaje eléctrico y viceversa. Este proceso es posible gracias al efecto termoeléctrico y los dispositivos conocidos como termopares.
¿Qué es un Termopar?
Un termopar es un dispositivo eléctrico formado por la unión de dos conductores eléctricos distintos. Estos conductores generan un voltaje dependiente de la temperatura debido al efecto termoeléctrico, permitiendo medir la temperatura de manera precisa. Por ejemplo, en un termopar tipo J, el constantán es el elemento negativo y el hierro el positivo, comúnmente utilizado en aplicaciones de tratamiento térmico. Por otro lado, en un termopar tipo T, el constantán es también el elemento negativo, pero el cobre es el positivo, usado en temperaturas criogénicas.
Efecto Seebeck
Descubierto por Thomas Seebeck en 1821, el efecto Seebeck ocurre cuando una diferencia de temperatura entre dos conductores o semiconductores disímiles produce una diferencia de voltaje entre ambos. La relación entre el voltaje generado y la diferencia de temperatura se describe mediante el coeficiente Seebeck (S), donde S = V/ΔT.
Efecto Peltier
El efecto Peltier, nombrado así por el físico francés Jean Charles Athanase Peltier, es análogo al efecto Seebeck. En lugar de generar una diferencia de potencial, utiliza una fuente electromotriz para producir corriente, calentando una unión y enfriando la otra. El coeficiente Peltier (π) se determina por la relación entre la corriente (I) y la tasa de calentamiento (q), donde π = I/q.
Efecto Thomson
El efecto Thomson describe la corriente eléctrica que se desarrolla en un conductor único 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 de temperatura, y β es el coeficiente Thomson.
Relación entre los Efectos Termoeléctricos
Los efectos Seebeck y Peltier están estrechamente relacionados, demostrado por la relación de Thomson: Π = TS, donde Π es el coeficiente Peltier, T es la temperatura absoluta y S es el coeficiente Seebeck.
Termopares en la Práctica
Los termopares funcionan mediante la transferencia de electrones entre dos metales distintos, como el cobre y el zinc. Este intercambio de electrones crea un potencial de voltaje que se incrementa con la aplicación de más calor.
Materiales Termoeléctricos
Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica. Estos materiales deben tener alta conductividad eléctrica (σ) y baja conductividad térmica (κ). Los principales semiconductores utilizados son el telururo de bismuto (Bi2Te3), telururo de plomo (PbTe) y el Silicio germanio (SiGe). La nanotecnología ha permitido mejorar estas propiedades en los semiconductores.
