Efecto termoeléctrico
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.
Como resultado, se genera una corriente eléctrica debido a este movimiento inducido por la temperatura.
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.
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”.
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.
Esta aplicación de la sonda Kelvin a veces se usa para demostrar que la física subyacente solo necesita una unión.
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.
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.
El signo del coeficiente de Seebeck puede definir que portadores cargados domina el transporte eléctrico en ambos metales y semiconductores.
Debido a que los electrodos conectados al multímetro se pueden colocar en el material para de medir el voltaje termoeléctrico.
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.
Si la dispersión depende de la energía, los portadores calientes y fríos se difundirán a razones diferentes.
Al principio los termopares eran metálicos, pero más recientemente dispositivos termoeléctricos se desarrollan de elementos semiconductores alternados tipo-p y tipo-n conectados por interconectores metálicos como se dibuja en la figura de abajo.
La fuente de calor conducirá electrones en el elemento tipo-n hacia la región más fría, así se crea una corriente a través del circuito.
Pierden momento por la interacción con electrones (u otros portadores) e imperfecciones en el cristal.
Este aporte es el más importante en la región de temperatura donde predomina la dispersión fonón-electrón.
Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”.
Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier).
Esto provoca una divergencia no cero en la unión y así el calor debe acumularse o agotarse allí, según el signo de la corriente.
Diferente al plomo, los coeficientes termoeléctricos de todos los superconductores conocidos son cero.
Es más común expresarlo como el factor de mérito adimensional ZT multiplicándolo por la temperatura promedio (
ZT es por lo tanto un parámetro muy conveniente para comparar la eficiencia del potencial de dispositivos usando materiales diferentes.
Los termopares (o termocuplas) se utilizan mucho en la industria como sensores para medir temperaturas, dada su gran linealidad.
Si por cualquier causa se interrumpe momentáneamente el suministro de gas, la llama piloto se apaga y el circuito electromagnético citado impide que el gas vuelva a fluir, evitando riesgo de explosión.
Un refrigerador Peltier es una bomba térmica activa que transfiere calor desde una parte del dispositivo hacia la otra.
