Efecto termoeléctrico y motor DC sin escobillaspara enfriamiento de bebidas Israel Patricio Valle Arrobo [email protected] consiguiente, la corriente se ve inducida termalmente. Resumen - El presente trabajo presenta una Este efecto es utilizado ampliamente en la descripción del efecto termoeléctrico, su beneficio de este proceso es una fuente alternativa de energía industria para la generación de electricidad, económica y tiene un bajo mantenimiento como medición de temperatura, el enfriamiento o posible intercambio de calor controlable, en cambio el calentamiento de objetos a través de motor DC sin escobillas su descripción y donde se controladores específicos. utiliza. Palabras clave – Efecto Peltier, Efecto Seebeck, Efecto Thompson, Temperatura, Semiconductores, Celda Peltier, Brushlees DC I. INTRODUCCIÓN El descubrimiento de los fenómenos termoeléctricos y la búsqueda de nuevas alternativas de generación de energía, ha permitido un avance continuo en la tecnología termoeléctrica en los últimos años. El efecto termoeléctrico dependiendo de la forma en que se analice tiene distintas aceptaciones. El uso de estos efectos permite aumentar la eficiencia en sistemas que desperdician calor y el aprovechamiento del uso de semiconductores para el desarrollo de intercambiadores de calor económicos y de bajo mantenimiento. Efecto termoeléctrico El efecto termoeléctrico es la conversión directa 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). Los portadores de carga aplica en la temperatura provocando que el material, si hay electrones o huecos, para difundir desde el lado caliente al lado frío, similar a un gas clásico que se expande cuando se calienta; por Esto ocasiona una corriente “continua” en los conductores si ellos forman El efecto Seebeck es la conversión de un circuito completo. La explicación del efecto es la siguiente: Se generan los efectos difusión de portador de carga y arrastre de fonones. corriente. creando una corriente de Tradicionalmente el efecto termoeléctrico circuito. diferente del otro. Portadores fríos se difundirán desde el extremo frío al extremo Al suministrar una fuente de potencia. pues hay menor densidad de diferentemente a la diferencia de portadores calientes en el Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una de baja densidad. dispositivo termoeléctrico puede actuar como un enfriador. electrones y huecos en los semiconductores. como en la siguiente figura. generalmente metales) para circuito cerrado de dos metales unidos en dos medir una diferencia de temperatura lugares con una diferencia de temperatura directamente o para medir una temperatura entre las uniones como se puede ver en la absoluta colocando un extremo a una siguiente figura. temperatura conocida. Portadores calientes se difundirán desde el extremo caliente al Esto se debe a que los metales responden extremo frío. que produce un campo magnético. diferencias de temperatura directamente a El efecto Seebeck es utilizado comúnmente electricidad. Los Portadores de Carga en los materiales (electrones en metales. Seebeck tuvo el primer indicio en dispositivos llamados termopar (porque del fenómeno al notar que la aguja de una está hecho de un acople o unión de brújula se desviaba cuando se formaba un materiales. ambos removiendo calor de un lado del El efecto Peltier hace referencia a la creación de una dispositivo. diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. iones en los conductores iónicos) se difundirán cuando un extremo de Figura 1 Circuito que mostró el efecto un conductor está a una temperatura Seebeck. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta. entre dos metales o semiconductores Efecto Seebeck diferentes. temperatura. Efecto Peltier electrones en el elemento tipo-n se moverán a la dirección opuesta de la corriente y los huecos en El efecto Peltier es una conocida propiedad el elemento tipo-p se moverán en la dirección de la termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier. [1] . El contiene tres efectos asociados: el efecto efecto generado es que un voltaje se crea por Seebeck. se expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se enfría la región. el efecto Peltier y el efecto la presencia de una diferencia de temperatura Thompson. extremo frío del conductor. Los C. el caliente por la misma razón. . hay una absorción de calor llamada Efecto Thomson experimentalmente por William Thomson (Lord negativo. cuando la corriente se mueve de un extremo caliente al extremo frío. obteniendo una carga mecánica reducida (alternador) y una reducción en el consumo de combustible de más del 5%. [1] diferencia de temperatura en dos puntos. Sondas espaciales en el exterior del sistema solar hacen uso del efecto en generadores termoeléctricos radioisotópicos para generación de electricidad. Volkswagen afirma 600W de salida del GTE en condición de conducción en autopista. En metales como cobalto. o bien absorberá o emitirá calor. la producción de calor por volumen es: Las compañías de automóviles alemanas Volkswagen y BMW han desarrollado generadores termoeléctricos (GTE) que recuperan el gasto de calor de una máquina de combustión. cuando la corriente se Este efecto fue predicho y luego observado mueve de un bajo a un alto potencial. Así como en el termociclador usado en Biología Molecular para realizar la PCR. APLICACIONES homogéneo. El segundo término es el calor de Thomson. se mueve de un alto a un bajo potencial. es el coeficiente Thomson. pues es el único coeficiente termoeléctrico directamente medible para materiales Algún conductor portador de corriente con una individuales. en un semiconductor. según el material. 2 dT q=ρJ −μJ dx Donde: es la resistividad del material. que no es reversible. Describe el calentamiento o El coeficiente Thomson es único entre los enfriamiento de un conductor portador de corriente tres coeficientes principales termoeléctricos con un gradiente de temperatura. Si una densidad de corriente J pasa por un conductor II. que cambia de signo cuando J cambia de dirección. Un refrigerador Peltier es una bomba térmica activa que transfiere calor desde una parte del dispositivo hacia la otra. BMW y DLR (Centro aeroespacial alemán) han desarrollado también un generador termoeléctrico impulsado por el tubo de escape que alcanza un máximo de 200 W y se ha usado exitosamente por más de uso 12000 km en carretera. D. 2 El primer término representa el Efecto Joule. En metales como zinc y Figura 2 Diagrama de funcionamiento del efecto Peltier cobre. que tienen un extremo frío a mayor potencial y un extremo caliente a menor potencial. que tienen un extremo caliente a mayor potencial y un extremo frío a menor potencial. es el gradiente de temperatura a lo largo del alambre. Kelvin) en 1851. Los sistemas de enfriamiento de las cámaras CCD funcionan con base en el efecto Peltier. Efecto Thompson comúnmente llamado Efecto Thomson positivo. hay una producción de calor. La electricidad producida por el GTE es cerca del 30% de la electricidad requerido por el auto. níquel y hierro. Para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega Bibliografía y entre ellos una placa de cerámica que funciona como aislante. Este comportamiento nos permite afirmar que si invertimos la polaridad de la fuente de alimentación. mantenimiento y costo reducido. emigran hacia la terminal semiconductor y ésta genera una diferencia de negativa que se encuentra en cada uno de sus temperatura en sus dos caras. Internamente la celda Peltier posee elementos semiconductores altamente impurificados y dispuestos eléctricamente en serie mediante conductores de cobre [3]. El uso de estas celdas permite crear un nuevo mundo de energía limpia. Una celda Peltier extremos. huecos de los elementos cuando circula una corriente a través de un semiconductores P. emigran hacia el lado positivo de cada uno de sus extremos en los elementos A. la compresión o acumulación de portadores cerca de la unión metal semiconductor en la parte baja de los elementos semiconductores en la figura 4. Celdas de Peltier semiconductores tipo N. recuperando energía del efecto Joule de dispositivos ineficientes. Referencias . Los elementos semiconductores están dispuestos materiales así como implementación de eléctricamente en serie y térmicamente en sistemas de enfriamiento de bajo paralelo. A continuación se de dispositivos termoeléctricos llamados describirá a fondo. Esta ausencia de cargas en cada elemento está conformada por un arreglo de materiales semiconductor cerca de la unión “metal – tipo P y tipo N en un arreglo similar al mostrado semiconductor” provoca un “enrarecimiento de en la figura. la cara fría ahora calentará y la cara caliente sufrirá un descenso de temperatura [4]. Mientras que los El efecto Peltier se da en la naturaleza portadores mayoritarios. Lo más común y económico es el uso “Celdas de Peltier”. débilmente ligados. de diferencias de transporte de Figura 3 Estructura interna de una celda de Peltier. Por otro lado. [2] cargas” y el consecuente descenso de temperatura en el área circundante [3]. provoca un ascenso de temperatura. debido a la atracción de cargas de diferente signo. Arturo P. Universidad de Buenos Aires. J. E. J. [En línea]. «Celdas 2] Peltier: Una alternativa para sistemas de enfriamiento con base en semiconductor. [ Temperature Control. New York: Krieger 3] Publishing. [En línea].uba. [ Wikipedia. «Efecto Termoeléctrico. G. .» [En línea].» Julio 2015.org/wiki/Efecto_termoeléctrico. «Efecto Peltier. 1] Available: https://es. B. S. A. Julio 2015.wikipedia.ar/dgrosz/material%20adicional/celda%20 Peltier%20Patterso%20n-Sobral. Sandoval G. [ E.pdf.» Departamento 4] de Física FCEyN. Patterson. L. [Último acceso: Julio 2015]. [ M. Available: http://df.. es decir. Una polarización como la mostrada en la figura 4. Figura 4 Diagrama de elementos semiconductores y áreas de disipación. electrones . se distribuye a lo largo de cada elemento semiconductor de la celda. los portadores mayoritarios. cada elemento semiconductor posee una diferencia de potencial proporcional a la polarización de entrada. Por esta razón.
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