1. RESUMEN
El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial. La magnitud de la termoelectricidad depende del tipo de material de los conductores, la temperatura de contacto y no depende de la temperatura que se distribuye a lo largo del conductor. La termoelectricidad permite evaluar los termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango desde +43 hasta –38 mV/grado.
El producto que más utiliza este fenómeno son los denominados “termopares” que sirven como sensores de temperatura, también las llamadas termopilas que son un arreglo de varios termopares en seria para medir temperatura básicamente.
2. FENOMENO FISICO Y ELECTRICO
Termoelectricidad
Conversión directa del calor en energía eléctrica o viceversa. El termino es generalmente restringido a la conversión irreversible de electricidad en calor descrita por el físico inglés James P. Joule y el efecto reversible nombrado por Seebeck, Peltier y Thomson. De acuerdo con la ley de Joule un conductor transporta cierta corriente generando calor proporcionalmente a la resistencia del mismo por el cuadrado de la corriente. El físico alemán Thomas J. Seebeck descubrió en 1820 que si se cierra el circuito por la unión de dos materiales distintos y esta unión tiene contacto físico con un objeto la temperatura de este se ve como una diferencia de potencial que se genera en la unión de los metales. Al circuito de este tipo se llama “termopar” y un número de ellos conectados en serie es llamado termopila. En 1834 el físico francés Jean C. A. Peltier descubrió un efecto inverso al de Seebeck: Si una corriente pasa a través del termopar, la temperatura de la unión se incrementa y la temperatura en otras secciones se decrementa, así que el calor es transferido desde una unión a otra. La cantidad de calor transferido es proporcional a la corriente y la dirección de transferencia se invierte si la corriente cambia de dirección. El científico escocés William Thomson (más tarde Lord Kelvin) descubre en 1854 que la diferencia de temperatura que existe entre dos puntos cualquiera de un conductor que transporta corriente puede absorber o sacar calor dependiendo del material y la dirección de la corriente en el conductor. Esto muestra que el efecto Seebeck es un resultado de la combinación de los efectos de Peltier y Thomson. Los campos magnéticos pueden demostrar la influencia de todos estos fenómenos. Muchos dispositivos basados en los efectos termoeléctricos son usados para medir temperatura, transferir calor o generar electricidad.
La unión de dos aleaciones diferentes entregan un voltaje de directa, propiedad eléctrica muy importante. La polaridad de esta depende de la química de la aleación, ver tabla 1 para ejemplos.
Un termopar ideal consiste en un par de conductores homogéneos y de una sola pieza de distintos materiales, aleaciones, conectados y unidos en el extremo que servirá para tocar o acercar al objeto del cual queremos averiguar su temperatura.
Las cargas en los conductores pueden moverse con cierta libertad. La corriente eléctrica constituye un movimiento continuado de las cargas libres. La cantidad de carga que circula por un conductor en la unidad de tiempo es la intensidad de corriente. Los responsables de mantener la corriente en un circuito eléctrico son los generadores eléctricos, los cuales suministran al circuito la energía precisa para ello. Dos leyes de naturaleza experimental descubiertas por Ohm y Joule respectivamente aportan algunas relaciones que facilitan el estudio científico de la corriente eléctrica.
La característica esencial de los conductores, sean éstos sólidos, líquidos o gaseosos, consiste en que disponen de partículas cargadas que pueden moverse con bastante libertad bajo la acción de campos eléctricos. Cuando un conductor descargado se pone en contacto con un cuerpo cargado se produce un desplazamiento de la carga del uno a otro por efecto de las fuerzas eléctricas. Si ambos están aislados, el movimiento de las cargas libres durará unos instantes entre tanto el sistema de cargas encuentra una configuración de equilibrio en la cual las fuerzas eléctricas que se ejercen sobre cada una de las cargas se compensan mutuamente. Esto es lo que sucede cuando un hilo metálico se conecta por uno de sus extremos a uno solo de los bornes de una pila. Sin embargo, cuando se conecta el otro extremo del conductor al segundo borne, se produce un movimiento continuado de cargas en el conductor. Se tiene en tal caso una corriente eléctrica. La parte de la física que se ocupa del estudio de este tipo de movimiento de las cargas eléctricas a través de un conductor recibe el nombre de electrocinética.
Un termopar es un generador termoeléctrico que transforma calor en electricidad. Se produce cuando dos hilos conductores unidos entre sí por sus extremos respectivos se someten a una diferencia de temperatura, sumergiendo una de las soldaduras en hielo fundente y aplicando a la otra la llama de un mechero. Entre ambos puntos se genera una diferencia de potencial que aumenta con la temperatura y puede detectarse con un aparato de medidas eléctricas. Dicho efecto generador de electricidad conocido como efecto Seebeck se emplea principalmente en la medida de temperaturas.
3. APLICACIONES
Una de las aplicaciones más usadas con este fenómeno es la construcción de sensores de temperatura llamados “termopares”. En la industria están muy difundidos y son relativamente baratos además de soportar rangos de temperatura, dependiendo de la unión de las aleaciones, de hasta 1450°C.
La siguiente tabla 1 muestra los tipos habituales del termopar, aleaciones y el rango de temperatura en el que puede operar.
Tipo de Termopar /Materiales /Rango de aplicación en °C
B/ Platino 30%, Rodio (+); Platino 6%, Rodio (-) /1370 a 1700
C/ W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+); W26Re Tungsteno 26% Rhenium /1650 a 2315
E/ Cromo (+); Constantano (-) /95 a 900
K/ Cromo (+); Alumel (-) /95 a 760
J/ Acero (+); Constantano (-) /95 a 1260
N/ Nicrosil (+); Nisil (-) /650 a 1260
R/ Platino 13% Rodio (+); Platino (-) /870 a 1450
S/ Platino 10% Rodio (+); Platino (-) /980 a 1450
T/ Cobre (+); Constantano (-) /-200 a 350
1. Rango de temperatura a medir.
2. Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación
3. ¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este sea invasivo y altere al objeto?
4. ¿Qué tipo de contacto fisco se requiere para sensar la temperatura?
Es posible conectar a un dispositivo múltiples puntos de temperatura o termopares en distintas zonas para registrarlas e interpretarlas posteriormente, ver siguiente figura
4. CONCLUSIONES
En la industria está muy generalizado el uso de termopares y considero que se sabe poco de cómo funcionan. Hasta este ensayo no entendía mucho de la física que rige este tipo de dispositivos y poco sabía de sus orígenes. Me es bastante útil el conocer estos sensores a detalle pues considero un excelente proyecto de curso elaborar un instrumento que pueda registrar temperaturas puntuales en algún tipo de proceso o máquina para posteriormente analizar los efectos laterales de las diferencias de temperatura por zonas.
5. FUENTES DE INFORMACION
1. http://www.electronics-cooling.com
2. http://instserv.com/orphn/rmocoupl.htm
3. http://mtzpz.kipelhouse.com/termo/index.phtml
4. http://www.hypercomplex.com/
5. Apuntes de instrumentación, Raúl Leal, ITESO
6. ANEXO
6.1 Tipos de sensores de temperatura.
Termopares.
Los termopares son los más difundidos en la industria. Estos se basan en el efecto Seebeck que se presenta en la unión de dos aleaciones diferentes en presencia de calor.
Thermistores.
Son pequeñas piezas de un semiconductor no caro que es altamente sensible a la temperatura.
Termómetro con liquido dentro de una ampolla de cristal.
Es el más viejo y usado en los hogares, contiene una solución que se expande a través de un tubo capilar.
RTD.
Son los sensores de temperatura más precisos que se comercializan. Están basados en un coeficiente positivo de temperatura, al variar la temperatura cambia la resistencia eléctrica.
Termómetros de radiación.
Incluye los pirómetros, cámaras infrarrojas, termómetros clínicos. Son de no contacto y se basan en las leyes de Plancks que se refiere a que todo material sometido a calor despide un espectro infrarrojo relacionado con su temperatura.
Sensores de temperatura de silicio.
Son semiconductores con circuiteria interna capaces de medir la temperatura y entregar un voltaje proporcional a esta, están calibrados para entregar un voltaje en grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin. Se usan comúnmente como referencias de temperatura para termopares en lugar del baño de hielo.
