Efecto Seebeck & Peltier

El efecto Seebeck fue descubierto por el Físico estonio de origen alemán. Thomas Johan Seebeck. Realizó notables investigaciones en varios campos de la física, intentando establecer la conexión entre calor y electricidad. Llegó así a descubrir, en 1821, que uniendo una lámina de cobre con otra de bismuto, en un circuito cerrado, al calentar una de las uniones se genera una corriente eléctrica que fluye por el circuito en tanto persista la diferencia de temperatura, fenómeno que se utiliza aún para el diseño de dispositivos que permiten realizar mediciones de temperatura con una gran sensibilidad y precisión (termopar), así como para generar energía eléctrica para aplicaciones especiales.

En 1834, el señor Jean C. A. Peltier descubrió el “efecto Peltier”. El cual consiste en la manifestación de una variación térmica en la unión de 2 metales diferentes, cuando se establece una corriente eléctrica entre ellos. El concepto rudimentario de Peltier fue paulatinamente perfeccionado para que fuera un solo bloque con las uniones semiconductoras, conectadas por pistas de cobre y dispuestas de tal manera, que transportara el calor desde una de sus caras hacia la otra, haciendo del mecanismo una “bomba de calor” ya que es capaz de extraer el calor de una determinada superficie y llevarlo hacia su otra cara para disiparlo, este dispositivo es denominado Celda Peltier o Dispositivo Termoeléctrico Peltier (TEC) el cual se utiliza principalmente en los sistemas de refrigeración.

Estos sistemas de refrigeración que se ocupan en todo ámbito (generalmente industrial), son bastante versátiles, basta con invertir la polaridad para invertir el efecto (cambiar el lado que se calienta por el frío y viceversa), la potencia con que enfría es fácilmente modificable dependiendo del voltaje que se le aplique y es bastante amable con el medio ambiente ya que no necesita de gases nocivos como los usados en los refrigeradores industriales para realizar su labor.

El uso de refrigeración termoeléctrica por lo general se circunscribe al ámbito industrial, pero tanto los fanáticos como algunos fabricantes han desarrollado productos que incorporan el elemento Peltier como método para enfriar el procesador de una computadora.

MARCO TEORICO

Entre dos conductores sólidos diferentes en contacto existe una diferencia de potencial. Por ejemplo: si se ponen en contacto cobre y zinc, se puede medir entre ellos un diferencia de potencial.

Esto puede explicarse considerando que, por regla general, si 2 metales A y B se ponen en contacto y si el metal:

  • A posee N electrones libres por metro cúbico
  • B posee n electrones libres por metro cúbico

Cuando se tiene N > n, el metal A cede, al ponerlos en contacto, electrones a B y queda cargado positivamente respecto a él.

Esta diferencia de potencial tiene las siguientes características:

  • Es muy pequeña del orden de milivolt.
  • Si pasa una corriente eléctrica de B a A, desempeña el papel de fuerza electromotriz es decir, un generador. Si la corriente pasa de A a B se comporta como una fuerza contra electromotriz.
  • En el caso de que funcione como generador transforma la energía calorífica en energía eléctrica. En el contacto hay por tanto absorción de calor del medio exterior.

EFECTO SEEBECK

El resultado de generar tensión diferencia de potencial entre 2 uniones metálicas mantenidas a temperaturas diferentes se conoce como “Efecto de Seebeck”. La cantidad de electricidad producida dependerá de los dos metales elegidos y también de la diferencia de temperatura entre la unión de ambos y los extremos libres.

Incluso en el mejor de los casos, la cantidad de electricidad será bastante modesta, sin embargo, estos termopares pueden ser verdaderamente pequeños, por lo que, en poco espacio se pueden disponer muchas de ellas en serie (sumamos tensiones), o en paralelo (sumamos intensidad), o mezcla de ambos (serie y paralelo). De este modo, la cantidad de electricidad generada puede ser significativa.

EFECTO PELTIER

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos (interface isotérmico) al pasar corriente por ella. Al invertir la corriente, se invierte también el sentido del flujo del calor. Este efecto es reversible e independiente de las dimensiones del conductor. Depende solo del tipo de metal y de la temperatura de la unión.

Celda Peltier

Una Peltier es una matriz con muchos termopares (celdas) dispuestas en un espacio muy reducido. Los termopares que la conforman no están hechos de simples metales sino con semiconductores. Por lo general dichas celdas están fabricadas con Bismuto para la cara del semiconductor tipo P y Telurio para la cara tipo N.

Dichas celdas están dispuestas eléctricamente en serie mediante conductores de cobre. Para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega entre ellos una placa de cerámica que funciona como aislante.

Una polarización como  la  mostrada  en  la figura anterior, se distribuye a lo largo de cada elemento semiconductor de la celda, es decir, cada elemento semiconductor posee una diferencia de potencial proporcional a la polarización de entrada. Por esta razón, los portadores mayoritarios, electrones débilmente ligados, emigran hacia el lado positivo de cada uno de sus extremos en los elementos semiconductores tipo N, debido a la atracción de cargas de diferente signo. Mientras que los portadores mayoritarios, huecos de los elementos semiconductores P, emigran hacia la terminal negativa que se encuentra en cada uno de sus extremos. Esta ausencia de cargas en cada elemento semiconductor cerca de la unión metal – semiconductor provoca un enrarecimiento de cargas y el consecuente descenso de temperatura en el área circundante. Por otro lado, la compresión o acumulación de portadores cerca de la unión metal semiconductor en la parte baja de los elementos semiconductores en la figura anterior, provoca un ascenso de temperatura. Este comportamiento nos permite afirmar que si invertimos la polaridad de la fuente de alimentación, la cara fría ahora calentará y la cara caliente sufrirá un descenso de temperatura.

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