Los fenómenos termoeléctricos son un tema aparte en la física, en el que consideran cómo la temperatura puede generar electricidad, y esta última conduce a un cambio de temperatura. Uno de los primeros fenómenos termoeléctricos descubiertos fue el efecto Seebeck.
Requisitos previos para abrir el efecto
En 1797, el físico italiano Alessandro Volta, al realizar una investigación en el campo de la electricidad, descubrió uno de los fenómenos asombrosos: descubrió que cuando dos materiales sólidos entran en contacto, aparece una diferencia de potencial en el área de contacto. Se llama la diferencia de contacto. Físicamente, este hecho significa que la zona de contacto de materiales disímiles tiene una fuerza electromotriz (EMF) que puede conducir a la aparición de una corriente en un circuito cerrado. Si ahora dos materiales están conectados en un circuito (para formar dos contactos entre ellos), aparecerá el EMF especificado en cada uno de ellos, que será de la misma magnitud, pero de signo opuesto. Esto último explica por qué no se genera corriente.
La razón de la aparición de EMF es un nivel diferente de Fermi (energíaestados de valencia de los electrones) en diferentes materiales. Cuando estos últimos entran en contacto, el nivel de Fermi se estabiliza (en un material disminuye, en otro aumenta). Este proceso ocurre debido al paso de electrones a través del contacto, lo que conduce a la aparición de un EMF.
Debe tenerse en cuenta de inmediato que el valor EMF es insignificante (del orden de unas pocas décimas de voltio).
Descubrimiento de Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (físico alemán) en 1821, es decir, 24 años después del descubrimiento de la diferencia de potencial de contacto por Volt, realizó el siguiente experimento. Conectó una placa de bismuto y cobre y colocó una aguja magnética junto a ellas. En este caso, como se mencionó anteriormente, no se produjo corriente. Pero tan pronto como el científico acercó la llama del mechero a uno de los contactos de los dos metales, la aguja magnética comenzó a girar.
Ahora sabemos que la fuerza Ampère creada por el conductor que lleva la corriente hizo que girara, pero en ese momento Seebeck no lo sabía, por lo que supuso erróneamente que la magnetización inducida de los metales se produce como resultado de la temperatura. diferencia.
La explicación correcta de este fenómeno la dio unos años más tarde el físico danés Hans Oersted, quien señaló que estamos hablando de un proceso termoeléctrico, y una corriente fluye a través de un circuito cerrado. Sin embargo, el efecto termoeléctrico descubierto por Thomas Seebeck actualmente lleva su apellido.
Física de los procesos en curso
Una vez más para consolidar el material: la esencia del efecto Seebeck es inducircorriente eléctrica como resultado de mantener diferentes temperaturas de dos contactos de diferentes materiales, que forman un circuito cerrado.
Para comprender lo que sucede en este sistema y por qué la corriente comienza a correr en él, debe familiarizarse con tres fenómenos:
- El primero ya se ha mencionado: se trata de la excitación de la EMF en la región de contacto debido a la alineación de los niveles de Fermi. La energía de este nivel en los materiales cambia a medida que la temperatura sube o baja. Este último hecho dará lugar a la aparición de una corriente si se cierran dos contactos en un circuito (las condiciones de equilibrio en la zona de contacto de los metales a diferentes temperaturas serán diferentes).
- El proceso de mover portadores de carga de regiones calientes a regiones frías. Este efecto puede entenderse si recordamos que los electrones en los metales y los electrones y huecos en los semiconductores pueden, en una primera aproximación, ser considerados un gas ideal. Como es sabido, este último, cuando se calienta en un volumen cerrado, aumenta la presión. En otras palabras, en la zona de contacto, donde la temperatura es mayor, la "presión" del gas del electrón (hueco) también es mayor, por lo que los portadores de carga tienden a ir a zonas más frías del material, es decir, a otro contacto.
- Finalmente, otro fenómeno que conduce a la aparición de corriente en el efecto Seebeck es la interacción de los fonones (vibraciones reticulares) con los portadores de carga. La situación se parece a un fonón, moviéndose de una unión caliente a una unión fría, "golpea" un electrón (agujero) y le imparte energía adicional.
Marcó tres procesoscomo resultado, se determina la ocurrencia de corriente en el sistema descrito.
¿Cómo se describe este fenómeno termoeléctrico?
Muy sencillo, para ello introducen un determinado parámetro S, que se llama coeficiente de Seebeck. El parámetro muestra si el valor EMF se induce si la diferencia de temperatura de contacto se mantiene igual a 1 Kelvin (grado Celsius). Es decir, puedes escribir:
S=ΔV/ΔT.
Aquí ΔV es la FEM del circuito (voltaje), ΔT es la diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría (zonas de contacto). Esta fórmula es solo aproximadamente correcta, ya que S generalmente depende de la temperatura.
Los valores del coeficiente de Seebeck dependen de la naturaleza de los materiales en contacto. Sin embargo, definitivamente podemos decir que para los materiales metálicos estos valores son iguales a unidades y decenas de μV/K, mientras que para los semiconductores son cientos de μV/K, es decir, los semiconductores tienen un orden de magnitud de fuerza termoeléctrica mayor que los metales.. La razón de este hecho es una mayor dependencia de las características de los semiconductores con la temperatura (conductividad, concentración de portadores de carga).
Eficiencia del proceso
El hecho sorprendente de la transferencia de calor a electricidad abre grandes oportunidades para la aplicación de este fenómeno. Sin embargo, para su uso tecnológico, no sólo es importante la idea en sí, sino también las características cuantitativas. Primero, como se ha mostrado, la fem resultante es bastante pequeña. Este problema se puede evitar mediante el uso de una conexión en serie de una gran cantidad de conductores (quese hace en la celda de Peltier, que se discutirá más adelante).
En segundo lugar, es una cuestión de eficiencia en la generación termoeléctrica. Y esta pregunta permanece abierta hasta el día de hoy. La eficiencia del efecto Seebeck es extremadamente baja (alrededor del 10%). Es decir, de todo el calor gastado, solo una décima parte puede usarse para realizar un trabajo útil. Muchos laboratorios de todo el mundo están tratando de aumentar esta eficiencia, lo que se puede lograr mediante el desarrollo de materiales de nueva generación, por ejemplo, mediante el uso de nanotecnología.
Usando el efecto descubierto por Seebeck
A pesar de la baja eficiencia, todavía encuentra su uso. A continuación se muestran las áreas principales:
- Termopar. El efecto Seebeck se utiliza con éxito para medir las temperaturas de varios objetos. De hecho, un sistema de dos contactos es un termopar. Si se conocen su coeficiente S y la temperatura de uno de los extremos, entonces, midiendo el voltaje que se produce en el circuito, es posible calcular la temperatura del otro extremo. Los termopares también se utilizan para medir la densidad de la energía radiante (electromagnética).
- Generación de electricidad en sondas espaciales. Las sondas lanzadas por humanos para explorar nuestro sistema solar o más allá usan el efecto Seebeck para alimentar la electrónica a bordo. Esto se hace gracias a un generador termoeléctrico de radiación.
- Aplicación del efecto Seebeck en automóviles modernos. BMW y Volkswagen anunciaronla aparición en sus coches de generadores termoeléctricos que aprovecharán el calor de los gases emitidos por el tubo de escape.
Otros efectos termoeléctricos
Hay tres efectos termoeléctricos: Seebeck, Peltier, Thomson. La esencia del primero ya ha sido considerada. En cuanto al efecto Peltier, consiste en calentar un contacto y enfriar el otro, si el circuito comentado anteriormente está conectado a una fuente de corriente externa. Es decir, los efectos Seebeck y Peltier son opuestos.
El efecto Thomson tiene la misma naturaleza, pero se considera sobre el mismo material. Su esencia es la liberación o absorción de calor por un conductor por el que circula corriente y cuyos extremos se mantienen a diferentes temperaturas.
celda Peltier
Cuando se habla de patentes de módulos termogeneradores con efecto Seebeck, por supuesto, lo primero que recuerdan es la celda Peltier. Es un dispositivo compacto (4x4x0,4 cm) hecho de una serie de conductores tipo n y p conectados en serie. Puedes hacerlo tú mismo. Los efectos Seebeck y Peltier están en el corazón de su trabajo. Los voltajes y corrientes con los que trabaja son pequeños (3-5 V y 0,5 A). Como se mencionó anteriormente, la eficiencia de su trabajo es muy pequeña (≈10%).
Se utiliza para resolver tareas cotidianas como calentar o enfriar agua en una taza o recargar un teléfono móvil.
