El efecto termoeléctrico es la conversión de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Por el contrario cuando se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura (conocido como efecto Peltier). A nivel atómico, cuando se aplica una diferencia de temperatura en un material, los portadores de carga (electrones o huecos) tienden a moverse desde la zona más caliente hacia la más fría. Esto ocurre de manera similar a como un gas se expande cuando se calienta. Como resultado, se genera una corriente eléctrica debido a este movimiento inducido por la temperatura.
Este efecto se puede usar para generar electricidad, medir temperatura, enfriar objetos, o calentarlos o cocinarlos. Dado que la dirección de calentamiento o enfriamiento es determinada por el signo del voltaje aplicado, los dispositivos termoeléctricos pueden ser controladores de temperatura muy convenientes.
Tipos de efectos termoeléctricos Tradicionalmente, el término efecto termoeléctrico o termoelectricidad abarca tres efectos identificados separadamente: el efecto Seebeck, el efecto Peltier, y el efecto Thomson. En muchos libros de texto, el efecto termoeléctrico puede llamarse efecto Peltier-Seebeck. Esta separación proviene de descubrimientos independientes del físico francés Jean Peltier y del físico estonio-alemán Thomas Johann Seebeck. El efecto Joule, el calor generado cuando se aplica un voltaje a través de un material resistivo, es fenómeno relacionado, aunque no se denomine generalmente un efecto termoeléctrico (y se considera usualmente como un mecanismo de pérdida debido a la no idealidad de los dispositivos termoeléctricos). Los efectos Peltier-Seebeck y Thomson pueden, en principio, ser termodinámicamente reversibles, mientras que el calentamiento Joule no lo es.
Fenómeno termoeléctrico: el efecto de una transformación directa del voltaje eléctrico que ocurre entre dos puntos del sistema corporal en la diferencia de temperatura entre estos puntos, o viceversa: la diferencia de temperatura en voltaje eléctrico. Este fenómeno se utiliza para
calefacción, enfriamiento, medición de temperatura.
Dado que el voltaje eléctrico es fácil de controlar y se puede registrar con precisión, los dispositivos que utilizan el efecto termoeléctrico permiten un control de temperatura muy preciso y la automatización de los procesos de refrigeración y calefacción.
Dependiendo de la dirección de transformación, los fenómenos termoeléctricos se dividen en:
Efecto Seebeck: la formación de una fuerza termoeléctrica en un circuito cerrado que consta de dos metales diferentes, siempre que los puntos de contacto de estos metales estén a diferentes temperaturas, Efecto Peltier: cuando la corriente eléctrica fluye a través de la unión de dos metales diferentes, la unión se calienta o se enfría, dependiendo de la dirección del flujo. Fenómeno de Thomson: calentamiento o enfriamiento debido al flujo de corriente que también ocurre en un conductor homogéneo, cuyos extremos están a diferentes temperaturas.
Efecto Seebeck thumb|Circuito que muestra el efecto Seebeck El efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura directamente a electricidad.
Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los electrones se ven excitados a niveles energéticos de manera diferente dependiendo del material, provocando una diferencia de potencial en la unión de estos y, consecuentemente, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y concepción del término “termoelectricidad”.
El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41 microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.
En el circuito: 150px
(que puede estar en varias configuraciones diferentes y regirse por la misma ecuación), el voltaje obtenido puede ser derivado de:
SA y SB son los coeficientes Seebeck de los metales A y B en función de la temperatura, y T1 y T2 son las temperaturas de las dos uniones. Los coeficientes Seebeck no son lineales en función de la temperatura, y dependen de la temperatura absoluta, material y estructura molecular de los conductores. Si los coeficientes Seebeck son efectivamente constantes para el rango de temperatura medido, la fórmula anterior puede aproximarse como:
El efecto Seebeck se usa comúnmente en dispositivos llamados termopar (porque está hecho de un acople o unión de materiales, generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura directamente o para medir una temperatura absoluta colocando un extremo a una temperatura conocida. Una sonda metálica mantenida a una temperatura constante en contacto con un segundo metal de composición desconocida puede clasificarse por este efecto TE. Instrumentos de control de calidad industriales usan este efecto Seebeck para identificar aleaciones metálicas. Esto se conoce como clasificación Termoeléctrica de aleación.
Varios termopares cuando se conectan en serie son llamados termopila, la cual se construye a veces para aumentar el voltaje de salida ya que el voltaje inducido sobre cada acople es bajo.
Este es también el principio de trabajo detrás de los diodos térmicos y generadores termoeléctricos (tales como los generadores termoeléctricos de radioisótopos o GTR) los cuales se usan para crear potencia a partir de la diferencia de calor.
El efecto Seebeck se debe a dos efectos difusión de portador de carga y arrastre de fonones (descritos abajo). Si ambas conexiones se mantienen a la misma temperatura, pero una conexión se abre y cierra periódicamente, se mide un voltaje AC, el cual es también dependiente de la temperatura. Esta aplicación de la sonda Kelvin a veces se usa para demostrar que la física subyacente solo necesita una unión. Y este efecto se ve aún si los alambres solo se acercan, pero no se tocan, así no se necesita difusión.
Coeficiente de Seebeck El Coeficiente de Seebeck de un material mide la magnitud de un voltaje termoeléctrico inducido en respuesta a una diferencia de temperatura a través de ese material, el coeficiente de Seebeck tiene unidades de (V/K), aunque en la práctica es más común usar microvoltios por kelvin. Los valores en los cientos de V/K, negativos o positivos, son típicos de buenos materiales termoeléctricos. El término termopotencia es un nombre errado ya que mide el voltaje o campo eléctrico inducido en respuesta a la diferencia de temperatura, no a la potencia eléctrica. Una diferencia de temperatura aplicada causa portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundirse desde el lado caliente al lado frío, similar al gas clásico que se expande cuando se calienta. Portadores móviles cargados migran al lado frío dejando atrás su núcleo inmóvil opuestamente cargado al lado caliente dando origen así al voltaje termoeléctrico (termoeléctrico se refiere al hecho que el voltaje es creado por una diferencia de temperatura). Puesto que una separación de carga también crea un potencial eléctrico, la acumulación de portadores cargados en el lado frío finalmente cesa en algún valor máximo ya que existe una cantidad de portadores cargados derivados movidos al lado caliente como resultado del campo eléctrico en equilibrio. Solo un incremento en la diferencia de temperatura puede reanudar una acumulación de más portadores de carga en el lado frío y así conllevar a un incremento en el voltaje termoeléctrico. Casualmente el coeficiente de Seebeck también mide la entropía por portador de carga en el material. Para ser más específicos, la capacidad térmica electrónica molar parcial se dice que es igual a la potencia termoeléctrica absoluta multiplicada por el negativo de la constante de Faraday.
El coeficiente de Seebeck de un material representada por (o a veces por ), depende de la temperatura y estructura cristalina del material. Típicamente los metales tienen coeficientes de Seebeck bajos porque la mayoría tiene bandas medio llenas. Ambos electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas) contribuyen al voltaje termoeléctrico inducido así se cancelan cada uno con la contribución al voltaje de otro y hacerlo pequeño. En cambio, los semiconductores pueden estar dopados con una cantidad en exceso de electrones o huecos y así se puede tener grandes valores positivos o negativos del coeficiente de Seebeck según la carga de los portadores en exceso. El signo del coeficiente de Seebeck puede definir que portadores cargados domina el transporte eléctrico en ambos metales y semiconductores.
Si la diferencia de temperatura entre los dos extremos de un material es pequeña, entonces el coeficiente de Seebeck de un material se define (aproximadamente) como:
y un voltaje termoeléctrico se ve en los terminales. Así se puede escribir una relación del campo eléctrico y el gradiente de temperatura , por la aproximación de la ecuación:
En la práctica raramente se mide el coeficiente de Seebeck absoluto del material de interés. Debido a que los electrodos conectados al multímetro se pueden colocar en el material para de medir el voltaje termoeléctrico. El gradiente de temperatura también induce un voltaje termoeléctrico a través de una de las puntas de los electrodos. Por lo tanto el coeficiente de Seebeck medido incluye una contribución del coeficiente de Seebeck del material de interés y del material de los electrodos de medida. El coeficiente de Seebeck medido es entonces una contribución de ambos y puede ser escrita como:
Los superconductores tienen un coeficiente de Seebeck igual a cero pues los portadores cargados no producen entropía. Esto permite una medición directa del coeficiente de Seebeck absoluto del material de interés, ya que este es también el coeficiente de Seebeck de todo el termopar. Además, una medida del coeficiente Thomson, , de un material se puede relacionar con su coeficiente de Seebeck a través de:
El coeficiente de Seebeck es un parámetro importante del material que determina la eficiencia de la termoelectricidad de un material. Un mayor voltaje termoeléctrico inducido para un gradiente de temperatura dado conllevará a una mayor eficiencia. Lo ideal es desear valores de coeficientes de Seebeck muy grandes ya que solo se necesita una cantidad pequeña de calor para crear un voltaje grande. Este voltaje se puede usar para producir potencia.
Difusión de portadores de carga Los portadores de carga en los materiales (electrones en metales, electrones y huecos en los semiconductores, iones en los conductores iónicos) se difundirán cuando un extremo de un conductor está a una temperatura diferente del otro. Portadores calientes se difundirán desde el extremo caliente al extremo frío, pues hay menor densidad de portadores calientes en el extremo frío del conductor. Portadores fríos se difundirán desde el extremo frío al extremo caliente por la misma razón.