Fuerza termoelectromotriz (thermo-EMF) y su aplicación en tecnología
Thermo-EMF es una fuerza electromotriz que ocurre en un circuito eléctrico que consta de conductores irregulares conectados en serie.
El circuito más simple que consta de un conductor 1 y dos conductores idénticos 2, cuyos contactos se mantienen a diferentes temperaturas T1 y T2, se muestra en la figura.
Debido a la diferencia de temperatura en los extremos del cable 1, la energía cinética promedio de los portadores de carga cerca de la unión caliente resulta ser mayor que cerca de la fría. Los portadores se difunden de un contacto caliente a uno frío, y este último adquiere un potencial cuyo signo está determinado por el signo de los portadores. Un proceso similar tiene lugar en las ramas de la segunda parte de la cadena. La diferencia entre estos potenciales es el termo-EMF.
A la misma temperatura de los hilos metálicos en contacto en un circuito cerrado, diferencia de potencial de contacto en los límites entre ellos, no creará ninguna corriente en el circuito, sino que solo equilibrará los flujos de electrones en direcciones opuestas.
Calculando la suma algebraica de las diferencias de potencial entre los contactos, es fácil entender que se anula. Por lo tanto, en este caso no habrá EMF en el circuito. Pero, ¿y si las temperaturas de contacto son diferentes? Suponga que los contactos C y D están a diferentes temperaturas. ¿Entonces que? Supongamos primero que la función de trabajo de los electrones del metal B es menor que la función de trabajo del metal A.
Miremos esta situación. Calientemos el contacto D: los electrones del metal B comenzarán a transferirse al metal A porque, en realidad, la diferencia de potencial de contacto en la unión D aumentará debido al efecto del calor sobre ella. Esto sucederá porque hay más electrones activos en el metal A cerca del contacto D y ahora se precipitarán hacia el compuesto B.
El aumento de la concentración de electrones cerca del compuesto C inicia su movimiento a través del contacto C, del metal A al metal B. Aquí, a lo largo del metal B, los electrones se moverán al contacto D. Y si la temperatura del compuesto D continúa siendo elevada en relación con el contacto C, luego, en este circuito cerrado, el movimiento direccional de los electrones se mantendrá en el sentido contrario a las agujas del reloj; aparecerá una imagen de la presencia de un EMF.
En un circuito cerrado de este tipo compuesto por metales diferentes, la FEM que resulta de la diferencia en las temperaturas de contacto se llama termo-EMF o fuerza termoelectromotriz.
Thermo-EMF es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos contactos y depende del tipo de metales que componen el circuito. La energía eléctrica en dicho circuito en realidad se deriva de la energía interna de la fuente de calor que mantiene la diferencia de temperatura entre los contactos.Por supuesto, la EMF obtenida por este método es extremadamente pequeña, en los metales se mide en microvoltios, el máximo es en decenas de microvoltios, para un grado de diferencia en las temperaturas de contacto.
Para los semiconductores, el termo-EMF resulta ser más, para ellos alcanza partes de un voltio por grado de diferencia de temperatura, ya que la concentración de electrones en los semiconductores depende significativamente de su temperatura.
Para la medición electrónica de temperatura, utilice termopares (termopares)trabajando en el principio de medición termo-EMF. Un termopar consta de dos metales diferentes cuyos extremos están soldados entre sí. Al mantener la diferencia de temperatura entre los dos contactos (la unión y los extremos libres), se mide el termo-EMF.Los extremos libres juegan aquí el papel de un segundo contacto. El circuito de medición del dispositivo está conectado a los extremos.
Se eligen diferentes metales de termopares para diferentes rangos de temperatura y, con su ayuda, la temperatura se mide en ciencia y tecnología.
Los termómetros de ultraprecisión se fabrican sobre la base de termopares. Con la ayuda de termopares, se pueden medir temperaturas muy bajas y bastante altas con gran precisión. Además, la precisión de la medición depende en última instancia de la precisión del voltímetro que mide la termo-EMF.
La figura muestra un termopar con dos uniones. Una unión se sumerge en la nieve que se derrite y la temperatura de la otra unión se determina usando un voltímetro con una escala calibrada en grados. Para aumentar la sensibilidad de dicho termómetro, a veces se conectan termopares a una batería. Incluso los flujos muy débiles de energía radiante (por ejemplo, de una estrella distante) pueden medirse de esta manera.
Para mediciones prácticas, se utilizan con mayor frecuencia hierro-constantán, cobre-constantán, cromel-alumel, etc. En cuanto a las altas temperaturas, recurren a vapores con platino y sus aleaciones, a materiales refractarios.
La aplicación de termopares es ampliamente aceptada en sistemas automatizados de control de temperatura en muchas industrias modernas porque la señal del termopar es eléctrica y puede ser fácilmente interpretada por la electrónica que ajusta la potencia de un dispositivo de calefacción en particular.
El efecto contrario a este efecto termoeléctrico (denominado efecto Seebeck), consistente en calentar uno de los contactos mientras se enfría simultáneamente el otro mientras pasa una corriente eléctrica continua por el circuito, se denomina efecto Peltier.
Ambos efectos se utilizan en generadores termoeléctricos y refrigeradores termoeléctricos, para más detalles ver aquí:Efectos termoeléctricos de Seebeck, Peltier y Thomson y sus aplicaciones