¿Qué son el efecto Seebeck y el coeficiente Seebeck?
En un mundo donde la energía es más importante que nunca, el secreto detrás de la conversión del calor en electricidad podría encontrarse en el fenómeno conocido como el efecto Seebeck. Pero, ¿qué es exactamente este efecto y cuál es su relación con el coeficiente Seebeck? En este artículo, desentrañaremos estos conceptos que no solo son fundamentales para la termoelectricidad, sino que también abren la puerta a innovadoras aplicaciones en la generación de energía. Prepárate para sumergirte en el fascinante universo de la física y descubrir cómo el calor puede ser transformado en electricidad y qué papel juega el coeficiente Seebeck en este intrigante proceso. ¡Empecemos!
¿Alguna vez te has preguntado cómo se genera electricidad a partir de temperatura? El efecto Seebeck y el coeficiente Seebeck son dos fenómenos fundamentales en la termoelectricidad que nos permiten entender y aprovechar esta increíble capacidad. En este artículo, exploraremos qué son estos conceptos y cómo pueden revolucionar la manera en que generamos energía. ¡Prepárate para descubrir un mundo lleno de posibilidades!
El efecto seebeck muestra la capacidad de acumulación de un potencial eléctrico a través de un gradiente de temperatura en el material. El coeficiente Seebeck del material es una medida del predominio del efecto Seebeck para un tipo particular de material.
Echemos un vistazo a los conceptos básicos del efecto termoeléctrico, antes de discutir el efecto Seebeck. A través de un termopar, la diferencia de temperatura entre dos metales diferentes se puede convertir directamente en potencial eléctrico y viceversa.
Efecto termoeléctrico
Un dispositivo termoeléctrico genera un potencial eléctrico cuando hay una diferencia de temperatura entre las uniones en dos lados.
En cambio, al aplicar el potencial eléctrico, el calor se transfiere de un lado al otro, provocando una diferencia de temperatura. Un gradiente de temperatura aplicado hace que los portadores de carga se difundan desde el lado caliente al lado frío del material.
El efecto termoeléctrico puede generar potencial eléctrico (emf), medir la temperatura o cambiar la temperatura de un objeto. Dado que la dirección del voltaje aplicado afecta tanto al calentamiento como al enfriamiento, los dispositivos termoeléctricos se pueden usar como controladores de temperatura.
El término «Efecto termoeléctrico» está rodeado por tres efectos identificados por separado, que son;
- efecto seebeck,
- efecto peltier
- efecto Thomson
El efecto Seebeck describe un fenómeno termoeléctrico en el que las diferencias de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes en un circuito se convierten en un voltaje eléctrico.
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Historia
El efecto Seebeck lleva el nombre de Thomas Johann Seebeck (1770-831), un físico alemán. Seebeck fue descubierto en 1821. Afirma que el circuito hecho de dos uniones con dos metales diferentes genera una fuerza electromotriz.
Cuando Seebeck movió una brújula cerca del circuito que construyó, notó una pequeña deriva en la aguja. Encontró que la magnitud de la desviación aumentaba proporcionalmente a medida que aumentaba la diferencia de temperatura.
Además, sus experimentos también mostraron que la distribución de temperatura a lo largo de los conductores metálicos no afectaba a la brújula. Sin embargo, cambiar los tipos de metales que usó cambió la magnitud de la desviación de la aguja.
Durante los experimentos de Seebeck, los metales reaccionaron a las temperaturas, creando un bucle de corriente en el circuito y un campo magnético. Seebeck no estaba al tanto de una corriente eléctrica en ese momento y asumió erróneamente que era el efecto termomagnético.
¿Qué es el efecto Seebeck?
Al aplicar calor a una de las uniones formadas por dos conductores o semiconductores, hace que los electrones se dinamicen. Cuando un lado de la conexión experimenta este calor, los electrones comienzan a moverse hacia el lado más frío de los dos conductores. Si los dos conductores tienen la forma de un circuito, fluirá una corriente continua a través de ese circuito.
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Los voltajes resultantes del efecto Seebeck son muy bajos. Sin embargo, el rango de voltaje producido es generalmente del orden de microvoltios (millonésimas de voltio) por unidad de temperatura. Dependiendo de la diferencia de temperatura, algunos dispositivos pueden producir algunos milivoltios.
Se pueden conectar varios dispositivos en paralelo para aumentar la capacidad de la fuente de alimentación.
Coeficiente de Seebeck
El voltaje producido por estas uniones es proporcional a la diferencia de temperatura.
El coeficiente de Seebeck, representado por S, es una constante de proporcionalidad. Matemáticamente, el coeficiente de Seebeck se presenta mediante la siguiente fórmula:
>La relación entre el voltaje desarrollado y la diferencia de temperatura está relacionada con la propiedad intrínseca de los materiales denominados como “coeficiente de Seebeck”. También es popular con el nombre de termoenergía o energía termoeléctrica.
ΔV es la diferencia de voltaje.
ΔT es la diferencia de temperatura entre las dos uniones (lados caliente y frío). El Sistema Internacional de Unidades (unidad SI) del Coeficiente de Seebeck es voltios por kelvin (V/K). También se expresa en microvoltios por kelvin. (µV/K). El coeficiente de Seebeck para material semiconductor es del orden de unos cientos de µV/K. Mientras que para los metales está por debajo de cien solamente.
>Los materiales con un alto coeficiente de Seebeck son uno de los muchos factores que contribuyen a la eficiencia de los generadores termoeléctricos.
>El resultado del cálculo del coeficiente de Seebeck depende directamente de otro factor. De hecho, si el material semiconductor es de tipo n, los portadores son electrones. En este caso, la diferencia de potencial generada será positiva, y en cuanto al coeficiente de Seebeck, será negativo. Si por el contrario el material semiconductor es de tipo p, la diferencia de potencial será negativa y por tanto el coeficiente de Seebeck será positivo.
Los metales conductores constituyen una parte relativamente grande de los materiales. Estos metales tienen diferentes sensibilidades termoeléctricas, por lo tanto, diferentes coeficientes de Seebeck.
Aplicaciones del efecto Seebeck
- En general, el efecto Seebeck se usa en dispositivos llamados termopares que se fabrican uniendo dos materiales, generalmente metales.
- En las termopilas, varios termopares se conectan en serie para aumentar el voltaje de salida.
- El efecto Seebeck es la razón de la generación de energía termoeléctrica. No tienen partes móviles y su operación casi no requiere mantenimiento.
- Una diferencia de temperatura en cualquier material no superconductor creará un voltaje que puede usarse para proporcionar energía.
- Los pares de dos metales se pueden utilizar para medir altas temperaturas.
- En el caso de los pares con semiconductores, estos son muy sensibles a la radiación, por lo que con ellos se construyen termómetros de radiación.
- Además, los pares con semiconductores son detectores eficientes de ondas electromagnéticas de alta frecuencia, así como de rayos infrarrojos.
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Efecto Peltier y Seebeck | Termocupla y Celdas Peltier
¿Qué son el efecto Seebeck y el coeficiente Seebeck?
En un mundo donde la energía es más importante que nunca, el secreto detrás de la conversión del calor en electricidad podría encontrarse en el fenómeno conocido como efecto Seebeck. Pero, ¿qué es exactamente este efecto y cuál es su relación con el coeficiente Seebeck? En este artículo, desentrañaremos estos conceptos fundamentales para la termoelectricidad y su potencial en la generación de energía.
El Efecto Seebeck
El efecto Seebeck, descubierto en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck, describe cómo se genera un potencial eléctrico (voltaje) a partir de una diferencia de temperatura entre dos conductores o semiconductores. Cuando uno de los extremos de un circuito formado por dos metales distintos se calienta, los electrones en el material se mueven hacia el lado más frío, generando así un flujo de corriente.
Este fenómeno es central en aplicaciones termoeléctricas, donde se busca convertir calor perdido en energía eléctrica usable.
¿Cómo Funciona el Efecto Seebeck?
El calor aplicado a uno de los conductores provoca que los electrones se exciten y se desplacen, creando así un circuito eléctrico. Este proceso se puede resumir en los siguientes pasos:
- Se genera una diferencia de temperatura entre dos uniones metálicas.
- Los portadores de carga (electrones) se mueven desde el lado caliente al lado frío.
- Se produce un voltaje en el circuito debido a esta migración de electrones.
Los voltajes generados son generalmente del orden de microvoltios por grado Kelvin (µV/K) y pueden ser amplificados conectando múltiples termopares en serie.
El Coeficiente Seebeck
El coeficiente Seebeck, denotado como S, es una medida de la capacidad de un material para convertir diferencias de temperatura en voltaje. Se define como la razón entre el voltaje generado y la diferencia de temperatura aplicada:
S = ΔV / ΔT
Donde ΔV es la diferencia de voltaje y ΔT es la diferencia de temperatura. Los materiales semiconductores suelen tener coeficientes Seebeck mayores (hundidos de µV/K) en comparación con los metales, que generalmente se encuentran por debajo de 100 µV/K. Un alto coeficiente de Seebeck es esencial para la eficiencia de los generadores termoeléctricos que convierten el calor en electricidad [[1]].
Aplicaciones del Efecto Seebeck
Las aplicaciones del efecto Seebeck son amplias y se extienden a diversas industrias:
- Generación de energía eléctrica en fuentes renovables.
- Medición de temperatura en dispositivos de precisión.
- Control de temperatura en sistemas electrónicos.
Estos sistemas están siendo cada vez más utilizados para mejorar la eficiencia energética y reducir el desperdicio de calor.
Preguntas Frecuentes (FAQs)
¿Quién descubrió el efecto Seebeck?
El efecto Seebeck fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en el año 1821. Seebeck estudió el fenómeno y notó cómo el calentamiento de una unión entre metales distintos producía un desplazamiento en una brújula, lo que indicaba la generación de un voltaje.
¿Qué materiales tienen un alto coeficiente Seebeck?
Los materiales semiconductores como el bismuto y el teluro son conocidos por tener un alto coeficiente Seebeck. Estos materiales son preferidos en aplicaciones termoeléctricas debido a su capacidad para generar grandes voltajes con pequeñas diferencias de temperatura.
¿Cómo se mide el coeficiente Seebeck?
El coeficiente Seebeck se mide colocando un circuito hecho de dos materiales distintos en un ambiente controlado donde se les aplica una diferencia de temperatura. Se registra el voltaje producido y se divide por la diferencia de temperatura para determinar S (coeficiente de Seebeck).