EFECTO
SEEBECK
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Thomas Johann Seebeck
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En 1821, Thomas Johann Seebeck
(1770-1831), un médico nacido en Estonia y educado en Alemania, accidentalmente
unió piezas semicirculares de bismuto y cobre, calentando una de las junturas
(Tº1) y manteniendo fría la otra (Tº2). Una brújula cercana indicó que se
producía una perturbación magnética (Fig.1). Seebeck experimentó repetidamente
con diferentes combinaciones de metales a varias temperaturas, anotando el
valor del campo magnético producido en cada caso. Cuando los materiales de los
semicirculos eran los mismos, o cuando las temperaturas de las junturas eran
iguales, no se producía el campo magnético.
Curiosamente, Seebeck no creyó que una corriente eléctrica estuviera
circulando por los alambres y causando los campos magnéticos y resolvió
denominar a este efecto “termomagnetismo”.
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Fig.1 – El experimento de Seebeck
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Seebeck
nunca aceptó que hubiera una corriente produciendo el campo magnético que hacía
mover la aguja de la brújula. Fue el dinamarqués Hans Christian Oersted (1777-1851), también médico dedicado a
experimentar con la física, igual que Seebeck, quien en 1823, repitió la
experiencia de Seebeck, pero intercalando un galvanómetro, que permitió
apreciar la existencia de una corriente, convenciendo a todos los científicos
de la época, menos a Seebeck, de que había una corriente que producía el campo
magnético, imponiendo a partir de entonces el nombre de “termoelectricidad” al fenómeno.
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Hans
Christian Oersted
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Como
se muestra en la Fig.2 -A,
cuando los materiales de los dos semicírculos son iguales, digamos Cu (Cobre),
se establecen dos fem (fuerzas electro motrices) iguales, pero de sentido
contrario, que generan dos corrientes iguales y de sentido contrario (ia = ib),
que dan como resultado una corriente nula.
Cuando
los materiales son distintos y se eleva la temperatura de la juntura de arriba
(Tº1), se siguen generando dos corrientes de sentido contrario, pero esta vez
no son iguales (ia ≠ ib) y su diferencia da como resultado una corriente neta
(Δi), como se muestra en la
Fig.2 -B.
La
fem que genera la corriente también se puede medir y aprovechar, como de hecho
se hace cuando se usa para alimentar la bobina de las electro válvulas de los
pilotos de los artefactos a gas, como los calefactores, calefones, hornos, etc,
o bien para medir temperaturas.
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Fig.2 – A: con iguales
materiales en ambas ramas, la fem y la corriente son cero; B: con una
rama de bismuto y la otra de cobre hay corriente neta resultante (Δi), que
se puede medir cortando
una de las ramas e introduciendo un galvanómetro.
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En
la Fig.3 se ha
cortado el lazo y se ha introducido un voltímetro para medir la fuerza
electromotriz producida por el efecto Seebeck, llamada fem Seebeck. En español,
el nombre correcto sería termopar, para designar a esta unión de dos metales
distintos con una juntura a una temperatura mayor que la otra. En inglés se le
llama thermocouple. En algunos países, como Argentina y Uruguay, acostumbramos
a llamarle termocupla. La condición de esta medición es que las uniones del
cobre con el metal b, estén a la misma temperatura que el metal b, para que no
se nos produzca una termocupla adicional. El detalle es que la palabra cupla no
existe en el diccionario de la RAE
y si existe couple en el diccionario inglés, con el significado de par, yunta, pareja,
etc.
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Fig.3 – Medición de la fem Seebeck en un termopar.
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Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la juntura caliente
(Tº1) y la fría (Tº2), mayor será la diferencia de potencial medida con el
voltímetro V de la Fig.3. Si
α ab = V / ΔT
El coeficiente de Seebeck depende de la diferencia de temperatura entre las
junturas caliente y fría y de la naturaleza de los metales a y b. Las unidades que
se suelen utilizar para medirlo son micro voltios por grados Kelvin (μV/ºK) o
microvoltios por grados centígrado (μV/ºC).
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Fig.4 – La tensión de la juntura caliente en función de su temperatura
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A medida que aumentamos la temperatura de la juntura caliente (Tº1),
manteniendo la temperatura de la juntura fría constante, digamos a 0ºC , la fem aumenta hasta que alcanza un máximo
a una temperatura determinada (Fig.4). La temperatura de la juntura
caliente en la que la fem resulta máxima, se denomina temperatura neutra (Tn). La
temperatura neutra es constante para un termopar de dos materiales dados (p.
Ej. Para Cu-Fe, Tn = 270 ° C). La temperatura neutra es independiente de
la temperatura de la juntura fría.
Si
la temperatura de la juntura caliente aumenta más allá de la temperatura
neutra, la fem comienza a disminuir y a una temperatura particular se vuelve
cero; al calentarse ligeramente más, la polaridad de la fem se invierte. Esta
temperatura de la juntura caliente se llama temperatura de inversión (Ti).
Otra forma de medir la fem de una
termocupla
Para
medir la fem de la termocupla también se puede usar el esquema de la
Fig.5. No
Tampoco
es necesario que en la juntura caliente (Tº1) los dos metales estén soldados,
pudiendo encontrarse enrrollados, como se muestra en la figura. No obstante, en
las termocuplas comerciales por lo general están soldados.
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Fig.5
– Disposición práctica de la termocupla
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Termocupla comandando electroválvula
de seguridad en artefacto a gas
El
esquema representado en la Fig.6
se encuentra instalado en todos los artefactos a gas que funcionen con un
piloto, tales como calefactores, calefones, cocinas, etc.
Los
metales a y b están constituídos por aleaciones de Cr-Fe y de Cu-Ni y se han
conectado a los cables de cobre que transfieren la tensión de la termocupla
(fem) hasta la bobina de la electroválvula, que permite el pasaje de gas hacia
el artefacto.
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Fig.6
- Esquema de conexión de la termocupla en sistema de seguridad de artefactos a
gas que usan piloto.
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La
electroválvula admite ser abierta manualmente, presionando la perilla de
comando, ubicada en el panel frontal del artefacto, permitiendo el pasaje del
gas hacia el piloto y entonces este puede ser encendido mediante la aplicación
de una llama o chispa. Manteniendo esta situación durante algunos segundos, la
tensión de la termocupla aplicada sobre la bobina de la electroválvula, habrá
adquirido un valor tal (25 a
30 milivoltios) que permitirá mantener retenida la apertura de la
electroválvula al dejar de presionar la perilla de comando.
Luego,
mediante el giro de la perilla de comando, se habilita el pasaje del gas de
salida de la electroválvula hacia el quemador principal, permitiendo enviar más
o menos gas según la perilla se gire hasta máximo o mínimo.
Los
dos conductores de cobre en toda su extensión, desde su conexión con la
termocupla hasta su conexión con la electroválvula, se encuentran aislados
entre si, y en el extremo que se conecta con la electroválvula una arandela
aislante de fibra evita su contacto. Uno de los conductores de cobre es el
cañito exterior de cobre y el interior es un hilo aislado.
Con
esta configuración instalada, si se apagara el piloto, por cualquier causa,
como el viento, por ejemplo, se cierra la electroválvula y se corta el ingreso de
gas. Por eso es el sistema de seguridad para estos artefactos.
Observese
que la tensión que entrega la termocupla, cuando el piloto enciende, no es
suficiente para abrir la electroválvula, sino que solo alcanza para retenerla
abierta, después que Ud la abrió presionándola con su mano. La tensión
eléctrica que sería necesaria para abrirla, es mucho mayor que para retenerla.
Esto
ocurre también con los relé: la tensión que hay que aplicarle a su bobina para
que accione, siempre es mucho mayor que la tensión necesaria para mantenerlo
retenido una vez que fue accionado.
Para
probar si una termocupla funciona se debe extraer del artefacto, calentar la
juntura caliente en la llama de una hornalla de una cocina, por ejemplo y medir
con un voltímetro en la escala de milivoltios, entre el cañito de cobre
exterior y el hilo de cobre interior en el extremo que se conecta a la
electroválvula. Se deberá observar una tensión de unos 25 mV a 30 mV cuando la
termocupla está funcionando correctamente.
Las
Termopilas
Es posible conectar termocuplas en serie, aumentando en gran medida la
potencia disponible. Esta serie de termocuplas se llama termopila (thermopile en inglés). Esto se ilustra en la Fig.7 , donde se muestra una
termopila compuesta por siete termocuplas en serie. Se instala sobre un quemador piloto y suministra una tensión de
corriente contínua muy estable a la carga. Se dice que Georg Simon Ohm, usó las termocuplas de Seebeck como fuente de alimentación,
por su gran estabilidad, mientras investigaba con electricidad para descubrir la Ley de Ohm. La palabra termopila si está en
el diccionario de la RAE.
Las termopilas para usar en controles de temperatura, están diseñadas para
producir 750 milivoltios. Otros voltajes usados comúnmente en el pasado con ese
fin, incluyeron sistemas de 250 y 500 milivoltios.
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Fig.7
– Una termopila compuesta por 7 termocuplas en serie
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La
firma canadiense Gentherm Global Power
Technologies (GPT), anteriormente conocida como Global Thermoelectric, fabrica Generadores
termoeléctricos basados en este principio. Los generadores termoeléctricos
son utilizados cuando se requiere energía confiable para aplicaciones en
sistemas SCADA, Protección catódica, Automatización, Telecomunicaciones, Plataformas
marinas, Seguridad y Vigilancia.
Los
generadores termoeléctricos, fabricados por GPT, cubren un rango de potencia
entre 21W y 550W. También manifiestan
que pueden conectarse en serie y en paralelo para alcanzar los 5KW.
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Fig.8
– Termo generador (a la derecha) alimentando estación SCADA remota
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Por ejemplo (s/especificaciones del fabricante): Un equipo GPT de 21
Watts/12 Voltios, consume 2,1 m3/día de Gas
Natural de 8.905,1Kcalorías/m3, dentro de un rango de presión comprendido entre
69 kPa y 172 kPa. El precio: USD 5.600 (entrega en fábrica en
Canadá).
Tipos
de termocuplas para medición de temperaturas
La utilización de las termocuplas para medición de
temperaturas se considera una función muy importante y las termocuplas para ese
fin tienen un tratamiento especial. La precisión de esta medición es muy buena.
La técnica de la medición sería similar a la mostrada en la Fig.5 , donde la llama del
mechero se reemplaza por el contacto con el objeto al que se quiere medir su
temperatura. Se mantiene a temperatura fija la juntura fría y se gradúa el voltímetro
en grados de temperatura.
Hay muchos tipos de termocuplas fabricados con diferentes
materiales y aleaciones. Diferentes materiales tendrán diferente sensibilidad,
diferentes valores de tensión generada a la misma temperatura y afectarán otras
características como la temperatura máxima.
Se han estandarizado varios tipos de termocuplas,
asignando letras a cada tipo, según los materiales especificados que utilizan. Algunos
de las termocuplas más comunes y sus materiales se enumeran en la tabla de la Fig.9 :
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Fig.9
– Tipos más comunes de termocuplas y su composición.
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En
la Fig.10 se
muestra el rango de temperatura a medir y los errores de medición de algunos
tipos de termocuplas:
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Fig.10
– Rangos de temperatura a medir de algunos tipos de termocuplas
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En
la Fig.11 se
muestran curvas características de fem en función de la temperatura para
distintos tipos de termocuplas. Estas curvas han sido trazadas considerando que
la juntura fría se encuentra a 0ºC ,
por lo que ΔT = T y se ha tomado a la
fem como la tensión de la juntura caliente con respecto a la juntura fría.
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Fig.11
– fem de distintos tipos de termocuplas en función de la temperatura a medir.
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La
temperatura de la juntura de referencia de la termocupla (juntura fría – Tº2)
debe ser conocida, para obtener una lectura precisa de la temperatura absoluta
de la juntura caliente, que será la temperatura a medir.
Temperatura absoluta = ΔT + Tref.
Donde:
Temperatura
absoluta= Tº1 =temperatura a medir
ΔT
= Tº1 – Tº2
Tref.
= Tº2
Cuando
las termocuplas se usaron por primera vez para medir temperatura, se hizo
manteniendo la juntura de referencia en un baño de hielo. La Figura 12 representa un
circuito de termocupla con un extremo a una temperatura desconocida y el otro
extremo en un baño de hielo (0° C). Este método se utilizó para caracterizar de
forma exhaustiva los distintos tipos de termopares, por lo que casi todas las tablas
y curvas de termocuplas utilizan 0° C como temperatura de referencia.
Pero
mantener la juntura de referencia de la termocupla en un baño de hielo, no es
práctico para la mayoría de los sistemas de medición. En cambio, la mayoría de
los sistemas utilizan una técnica llamada compensación de la juntura de referencia
(también conocida como compensación de
unión fría). La temperatura de la juntura de referencia se mide con otro
dispositivo sensible a la temperatura, típicamente un CI, termistor, diodo o
RTD (detector de temperatura de resistencia).
La
lectura del voltaje de la termocupla se compensa para reflejar la temperatura
de la juntura de referencia. Es importante que la temperatura de la juntura de
referencia se lea con la mayor precisión posible, con un sensor de temperatura
preciso, mantenido a la misma temperatura que la juntura de referencia.
Cualquier error en la lectura de la temperatura de la juntura de referencia,
aparecerá directamente en la lectura final de la termocupla.
Una
variedad de sensores están disponibles para medir la temperatura de referencia:
1. Termistores: Tienen respuesta rápida
y un tamaño pequeño; pero requieren linealización y tienen una precisión
limitada, especialmente para un amplio rango de temperatura. También requieren
corriente para la excitación, que puede producir autocalentamiento y conducir a
errores.
2. Detectores de temperatura de
resistencia (RTD): los RTD son precisos, estables y razonablemente lineales;
sin embargo, el tamaño y el costo restringen su uso a las aplicaciones de
control de procesos.
3. Diodos térmicos remotos: se usa un diodo para
detectar la temperatura cerca del conector del termopar. Un chip de
acondicionamiento convierte el voltaje del diodo, que es proporcional a la
temperatura, en una salida analógica o digital. Su precisión está limitada aproximadamente
± 1° C.
4. Sensor de temperatura integrado: un sensor de temperatura
integrado, un CI independiente que detecta la temperatura localmente, debe
montarse cuidadosamente cerca de la unión de referencia, y puede combinar la
compensación de la juntura de referencia y el acondicionamiento de la señal. Se
pueden lograr precisiones dentro de pequeñas fracciones de 1° C.
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Fig.8
– Junturas de referencia en baño de hielo
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Referencias
Que interesante,cuanta claridad. Muchas gracias por enseñarnos. !!!
ResponderEliminarMuchas al autor de la explicación, in verdadero maestro y además muy didáctico
ResponderEliminarHernán. 15-12-2021