El Efecto Seebeck
El efecto Seebeck es un fenómeno en el que se genera un voltaje entre los extremos de un conductor cuando la temperatura en un extremo es diferente a la temperatura en el otro. Lleva el nombre del físico alemán Thomas Johann Seebeck, quien lo describió por primera vez a principios del siglo XIX.
¿Qué es el efecto Seebeck?
El efecto Seebeck se basa en el hecho de que el movimiento de portadores de carga, como electrones, en un conductor genera calor. Cuando se aplica una diferencia de temperatura a través de un conductor, los portadores de carga en el extremo caliente tienen más energía cinética que los del extremo frío, lo que conduce a un flujo neto de carga desde el extremo caliente al frío. Este flujo de carga crea un voltaje a través del conductor, que puede medirse con un voltímetro.
La magnitud del voltaje generado por el efecto Seebeck es proporcional a la diferencia de temperatura a través del conductor y a las propiedades del conductor mismo. Diferentes materiales tienen diferentes coeficientes de Seebeck, que describen el voltaje generado por unidad de diferencia de temperatura.
El efecto Seebeck es la base del funcionamiento de los generadores termoeléctricos, que son dispositivos que convierten el calor en electricidad. Funcionan utilizando el efecto Seebeck para generar un voltaje a través de un conductor, y luego usando ese voltaje para impulsar una corriente a través de una carga externa, como una bombilla o una batería.
El Coeficiente de Seebeck:
El coeficiente de Seebeck es el voltaje producido entre dos puntos en un conductor cuando se mantiene una diferencia de temperatura de 1 kelvin entre ellos. A temperatura ambiente, una combinación de cobre y constantán tiene un coeficiente de Seebeck de 41 microvoltios por kelvin.
S = ΔV/ΔT = (Vfrío − Vcaliente)/(Tcaliente-Tfrío)
Donde,
ΔV significa la diferencia de voltaje obtenida al introducir un pequeño cambio de temperatura (ΔT) a lo largo del material.
ΔV se define como el voltaje en el lado frío menos el voltaje en el lado caliente.
Si la diferencia entre Vfrío y Vcaliente es negativa, el coeficiente de Seebeck es negativo.
Si ΔT se considera pequeño.
Como resultado, podemos definir el coeficiente de Seebeck como la primera derivada del voltaje producido con respecto a la temperatura:
S = d V /d T
El Efecto Seebeck de Spín:
Sin embargo, en 2008 se descubrió que cuando se aplica calor a un metal magnético, sus electrones se reorganizan según su espín. Sin embargo, esta reorganización no era responsable de la generación de calor. Este fenómeno es el mismo que el efecto Seebeck de spín. Este efecto se empleó en la creación de interruptores micro rápidos y eficientes.
¿Por qué aumenta el coeficiente de Seebeck con el aumento de la temperatura?
La conductividad eléctrica aumenta con el aumento de la temperatura, mostrando características de semiconductor. El alto coeficiente de Seebeck y la baja conductividad eléctrica de CuAlO2 se deben a la alta masa efectiva de los huecos de carga.
¿Qué sensor detecta el efecto Seebeck?
La termopila es un dispositivo eléctrico que consiste en dos uniones de metales disímiles unidas juntas. Se utiliza como sensor de temperatura. Funciona según el principio del efecto Seebeck.
Aplicaciones del efecto Seebeck:
Los generadores termoeléctricos tienen varias aplicaciones potenciales, incluyendo la generación de energía para ubicaciones remotas o fuera de la red, la recuperación de calor residual y la detección de temperatura. Son particularmente útiles en situaciones donde otras formas de generación de energía no son prácticas, como en naves espaciales o en áreas remotas donde el acceso a combustible es limitado.
Este efecto Seebeck se utiliza frecuentemente en termopares para medir variaciones de temperatura o para activar interruptores eléctricos que encienden o apagan el sistema. Las combinaciones de metales de termopar comúnmente utilizadas incluyen constantán/cobre, constantán/hierro, constantán/cromo y constantán.
El efecto Seebeck se utiliza en generadores termoeléctricos, que funcionan como motores térmicos.
Estos también se utilizan en algunas centrales eléctricas para convertir el calor residual en energía adicional.
Además de su uso en generadores termoeléctricos, el efecto Seebeck y fenómenos relacionados, como el efecto Peltier y el efecto Thomson, tienen numerosas aplicaciones en campos como la termometría y la termodinámica. También se utilizan en el estudio de materiales y dispositivos termoeléctricos.
Limitaciones del efecto Seebeck:
Una desventaja de los generadores termoeléctricos es que no son muy eficientes. La eficiencia de un generador termoeléctrico se mide típicamente por su mérito figura, que es una medida de la capacidad del dispositivo para convertir calor en electricidad. La mayoría de los generadores termoeléctricos tienen un mérito figura de menos de 1, lo que significa que convierten menos del 1% del calor que absorben en electricidad. Esta baja eficiencia limita las aplicaciones prácticas de los generadores termoeléctricos, pero los investigadores están trabajando en el desarrollo de nuevos materiales y diseños que podrían mejorar su eficiencia en el futuro.
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