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EL EFECTO SEEBECK Y TERMOCUPLAS Brayan Julian Gonzalez Chivata Facultad de Ingeniería, Tecnología en Electrónica, Fundación Universitaria Juan De Castellanos Tunja, Colombia [email protected]

I. INTRODUCCIÓN La interacción entre un fenómeno eléctrico y térmico se conoce desde el siglo XIX, cuando Joule observó que la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones, los cuales ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques. Esta energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor. Sin embargo, no es éste el único fenómeno de interacción termoeléctrica. Otros efectos son los denominados Seebeck, Peltier y Thomson. El efecto Peltier fue descubierto en el año 1834 por el físico francés Peltier J. C. A. surgió sobre la base del descubrimiento del físico alemán Seebeck T.J. en 1821, quien observó que en un circuito formado por dos conductores distintos, cuyas uniones soldadas se encuentran en medios con temperaturas distintas, aparece entre ambos una diferencia de potencial. Esta diferencia de potencial es función de la naturaleza de los conductores y de la diferencia de temperaturas. Este dispositivo se conoce como termopar. La esencia del efecto Peltier, que básicamente es el contrario del efecto Seebeck, consiste en hacer pasar una corriente procedente de una fuente de energía eléctrica continua, a través de un circuito formado por dos conductores de distinta naturaleza, obteniéndose que una de sus uniones absorbe calor y la otra lo cede. El calor que cede el foco caliente será la suma de la energía eléctrica aportada al termoelemento y el calor que absorbe el foco frío. Estos termoelementos, configurados de este modo, constituyen una máquina frigorífica.[1] II. OBJETIVOS A. Objetivo General Realizar y comprobar el efecto seebek en función de voltaje y temperatura.

hallen en un mismo circuito, debido a la diferencia de temperatura entre ellos. Principio del efecto seebeck: Al conectar dos conductores diferentes entre sí, la diferencia de temperatura entre ellos causa una diferencia de potencial en el punto de contacto, lo cual genera una corriente eléctrica en los conductores que forman el circuito. El sentido del flujo de la corriente en el caso de los metales va desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura y está en el orden de algunos micro voltios por grados centígrados. [3] Termocuplas: Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los dos materiales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los milivoltios el cual aumenta con la temperatura. Multímetro: Un multímetro, a veces también denominado polímetro o tester, es un instrumento de medida que ofrece la posibilidad de medir distintos parametros electricos y magnitudes en el mismo aparato. Las más comunes son las de voltímetro, amperímetro y óhmetro. Es utilizado frecuentemente por personal en toda la gama de electrónica y electricidad.[4]

IV. PLANTEAMIENTO DE LA PRÁCTICA Comprobar y realizar y siguiente montaje para evidenciar el efecto seebek.

B. Objetivos Específicos Usar termocuplas para realizar las mediciones de temperatura. Usar distintas aleaciones de metales para realizar mediciones de voltaje. III. MARCO TEORICO Efecto seebeck: Es la producción de electricidad a partir del contacto entre dos materiales diferentes, dos semiconductores, o un metal y un semiconductor, que se

Fig.1. Implementación del circuito.

1. 2. 3. 4. 5.

Unir los dos alambres y conectar los dos extremos al multímetro para medir voltaje. Exponer las terminales de unión a altas temperaturas y consignar los resultados Exponer las terminales de unión a ajas temperaturas y consignar los resultados Realizar pruebas utilizando dos tipos de alambre diferentes a la inicial. Completar la siguiente tabla. Material

Temperatura

Voltaje

Anotar observaciones y conclusiones Practica 2. TERMOCUPLAS 1.

Investigar: ¿Qué es una termocupla? Tipos de termocuplas Código de colores Hojas de especificaciones de la termocupla a utilizar.

2.

Simulación. En Proteus realizar la siguiente simulación Fig3. Medición de temperatura de la unión.

Fig2. Simulacion termocupla Generar la siguiente tabla. Temperatura (°C) 10°C 20°C

Voltaje (mV)

Generar la gráfica correspondiente 3. 4.

Dibujar la termocupla usada, indicando los materiales de su composición y la polaridad correspondiente Construir la curva de regulación de la termocupla usada con referencia al punto de ebullición del agua (Temperatura °C vs milivoltios) V. DESARROLLO DE LA PRACTICA DE LABORATORIO. Fig4.Medicion de voltaje.

Los primeros dos materiales con que se realizo el experimento fue alambre de cobre de protoboard y alambre de cancho clip.

En la figura 3 y 4, se puede ver un ejemplo de una medición tomada en el experimento. Los siguientes materiales son: Puntilla de acero y alambre de gancho clip.

Fig7. Medición de temperatura en la unión.

Fig5. Medición de temperatura en la unión.

Fig8. Medición de voltaje.

Fig6. Medición de voltaje.

Los últimos materiales son puntilla de acero y alambre de cobre de protoboard.

Fig9. Materiales Fig11. Medicion de la union.

Fig10.Medida de temperatura en la unión Fig12. Temperatura en la unión

cromo y un conductor negativo de níquel-aluminio. Existen calibraciones tipo R, S, B, G, C y D para alta temperatura que ofrecen un rendimiento de hasta 2320 ° C. Estos están hechos de metales preciosos (platino / rodio y tungsteno / renio) y por lo tanto son relativamente caros.

Fig13.Medicion de voltaje Desarrollo de la consulta. Una termocupla o termopar es el sensor de temperatura más empleado a nivel industrial. Se elabora a partir de dos alambres de diferentes materiales, unidos en un extremo mediante soldadura. Al aplicar calor o frío en el punto de intersección de ambos extremos se genera un voltaje muy pequeño, como resultado del efecto Seebeck, del orden de los minivoltios, que aumenta a la par de la temperatura.  En términos más simples, puede definirse también como un transductor que se fabrica al unir dos piezas metálicas para que ocurra una diferencia de potencial muy pequeña, según el orden de los minivoltios, lo que determina la variabilidad de la temperatura entre uno de los extremos, que se denomina como “junta caliente”, mientras que el otro es llamado “junta frío”. Debido a ello, este importante dispositivo cumple la finalidad de traducir la señal en otra; por ejemplo, si se aplica temperatura a la unión, lo que sucederá es que habrá una tensión entre los alambres que traducirá la temperatura en voltaje. Tipos de termocuplas: Los termopares están disponibles en diferentes combinaciones de metales o calibraciones para adaptarse a diferentes aplicaciones. Los tres más comunes son las calibraciones tipo J, K y T, de los cuales el termopar tipo K es el más popular debido a su amplio rango de temperaturas y bajo costo. El termopar tipo K tiene un conductor positivo de níquel-

Cada calibración tiene un rango de temperatura y un entorno de trabajo diferente. Aunque la calibración del termopar dicta la gama de temperaturas, el alcance máximo también está limitado por el diámetro del cable del termopar. Es decir, puede ser que un termopar muy delgado no logre alcanzar el rango de temperatura deseado. [4] Tipo J. Tiene una unión de hierro y constantán, una aleación conformada por un 55% de cobre y 45% de níquel. Su rango de temperatura oscila entre 0 grados centígrados y +760 grados. Tiene una destacada aplicabilidad en la industria del plástico, la goma (para extrusión e inyección) y para la fundición de metales a bajas temperaturas, como zamac y aluminio. Tipo K. Unión de cromel y alumel que se traduce en temperaturas entre -200 grados centígrados y +1260 grados. Se recurre a ella para la fundición y en hornos con temperaturas menores a la indicada, por ejemplo, para la cocción de cobre, así como en hornos de tratamiento térmico. Tipo T. De cobre y constantán, tolerando un rango de temperatura que varía entre los -200 grados y los 300 grados centígrados. Es la usada en la industria alimentaria y sus aplicaciones son muy específicas, si bien ha ido a la par de los Pt100. Tipo R, S y B. Estos tipos de termopares se usan prácticamente de manera exclusiva en el ramo siderúrgico o en la fundición del acero y su rango es hasta los +1450 grados. [5] La tabla del código de colores de las termocuplas se encuentra en el siguiente link: https://es.omega.com/techref/colorcodes.html En el siguiente link se puede encontrar las especificaciones técnicas de los distintos tipos de termocuplas: https://www.weisz.com/wp-content/uploads/Caracteristicastecnicas-de-termocuplas.pdf USOS Y APLICACIONES Como primer ejemplo del modo en el que pueden emplear nuestros equipos, les presentamos el caso típico de una termocupla en un intercambiador de calor. Si ingresan agua y quieren que egrese a una temperatura de 60 grados centígrados, la termocupla medirá la temperatura, generando un voltaje determinado y comparándolo con la referencia. Muchos transformadores de los sistemas eléctricos incluyen una termocupla o termopar, con la finalidad de que reconozca la temperatura en momentos diferentes, y por consiguiente podrá cumplir con la tarea encomendada si ningún problema, trabajando en función de la temperatura. Los equipos o herramientas eléctricas que encuentran aplicabilidad en diversos sectores industriales incorporan los termopares con bastante frecuencia, a fin de disponer de un

sensor que indique, de manera constante, el flujo de temperatura y contribuya a regular las funciones del aparato. Finalmente, cabe destacar que, en la actualidad, la termocupla suele complementarse con analizadores termo gráficos, que son sensores de radiación, lo que implica que no están en contacto con partes que puedan ser susceptibles a sufrir recalentamiento [5] Codigo de colores

140°C 1.31 mV 150°C 1.4 mV 160°C 1.5 mV 170°C 1.6 mV 180°C 1.69 mV 190°C 1.79 mV 200°C 1.89 mV 210°C 1.98 mV 220°C 2.08 mV 230°C 2.18 mV 240°C 2.28 mV 250°C 2.37 mV 260°C 2.47 mV 270°C 2.57 mV 280°C 2.66 mV 290°C 2.76 mV 300°C 2.86 mV 310°C 2.95 mV 320°C 3.05 mV 330°C 3.15 mV 340°C 3.24 mV 350°C 3.34 mV 360°C 3.44 mV 370°C 3.53 mV 380°C 3.63 mV 390°C 3.73 mV 400°C 3.82 mV Tabla.1. Valores de temperatura y voltaje tomados de la simulación.

Fig14.Codigo de colores SIMULACIÓN DE TERMOCUPLA EN PROTEUS

Fig.15. Simulación del circuito con una termocupla Temperatura (°C) -10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C 90°C 100°C 110°C 120°C 130°C

Voltaje (mV) -0.087mV 0 mV 0.087 mV 0.178 mV 0.289 mV 0.36 mV 0.453 mV 0.545 mV 0.639 mV 0.733 mV 0.827 mV 0.922 mV 1.02 mV 1.11 mV 1.21 mV

Fig.16.Gráfica del voltaje generado a partir de temperatura en la simulación. La termocupla que fue utilizada a lo largo del laboratorio es de tipo k, los materiales de fabricación que componen la unión de la termocupla son cromel y alumel.

40 45 50 55 60 65 70 75 80

0,9 0,95 1,1 1,3 1,5 1,8 1,9 2,1 2,3

Tabla2. Datos tomados del experimento Con respecto a la siguiente tabla se realizo la siguiente grafica que muestra el funcionamiento de la termocupla. Fig.17. Termocupla tipo k utilizada. Para medir la temperatura de ebullición de agua y el voltaje obtenido con respecto a la temperatura se uso el multímetro y la termocupla de la fig 17, se realizo el proceso de hervir el agua y verterla en un pequeño recipiente para la medición de los valores medidos.

Fig20. Grafica de temperatura con respecto a el voltaje. VI. TABULACION DE DATOS Los resultados de la medición tanto del voltaje como la temperatura de la unión del alambre de cobre y el alambre del clip están registrados en la siguiente tabla.

Fig18. Medicion de voltaje de la termocupla

Fig19. Medición de la temperatura del agua Para la continuación de este experimento se fueron tomando cada 10 grados centígrados una medición de temperatura y voltaje los cuales se llenaron la la siguiente tabla.

temperatura v(/mv) 20 0 25 0,1 30 0,3 35 0,7

temperatura V -2 -1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

-1 -0,9 0 0 0,1 0,2 0,7 1 1,28 1,38 1,48 1,55 1,59 1,69 1,7 2 2,3 2,7 3,2

Tabla3. Datos obtenidos de la medicion.

Fig21.Grafica obtenida de los datos de la tabla 3. Los siguientes datos que se tomaron fueron del experimento de puntilla de acero y alambre de gancho clip.

temperatura V(mV) -2 -0,8 -1 -0,5 0 0 20 0 40 0,1 60 0,3 80 0,5 100 0,6 120 0,69 140 0,7 160 0,71 180 0,89 200 1,1 220 1,3 240 1,4 260 1,7 280 1,87 300 1,9 320 2

Los siguientes datos se tomaron del experimento de alambre de cobre y puntilla de acero.

temperatura V(mV) -2 -0,65 -1 -0,6 0 0 20 0 40 0,23 60 0,3 80 0,5 100 1,5 120 1,51 140 1,65 160 1,7 180 1,89 200 1,9 220 2,09 240 2,1 260 2,2 280 3,1 300 3,2 320 3,3 Tabla5.Datos obtenidos de las mediciones

Fig23. Grafica obtenida de los datos de la tabla 6.

Tabla4. Datos optenidos de las respectivas mediciones. VII. CONCLUSIONES En el laboratorio se pudo evidenciar el funcionamiento del efecto seebek con éxito, pudimos escoger entre diferentes materiales para así poder ponerles altas temperaturas para y con nuestros elementos de medición poder ver el funcionamiento del efecto. Se puede decir que este efecto para que de un voltaje mayor en el punto de vista de las actividades realizadas, se puede decir que el grosor del material influye en el resultado del voltaje obtenido, también los materiales previamente escogidos. Fig22. Grafica obtenida de los datos de la tabla 4.

Dado al los experimentos y la información consultada se pudo saber que una termocupla estaba basada en el efecto seebek, pudiendo haci poder experimentar con ella

físicamente.

VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. [1] Grupo de investigación de ingeniería térmica. Introducción a la termoelectricidad. [en línea]. Disponible: http://www.unavarra.es/ets02/Introduccion%20a%20TE(c).htm [2] Durand, C. Introducción efecto Seebeck. [en línea]. Disponible: https://es.scribd.com/document/309640978/INTRODUCCIONEfecto-seebeck [3]

Encured. Efecto Seebeck. [en https://www.ecured.cu/Efecto_Seebeck

[4]

multimetro?, "�Que es un multimetro?", FinalTest.com, 2020. [Online]. Available: https://www.finaltest.com.mx/product-p/art8.htm. [Accessed: 20- Sep- 2020].

[5] Omega. Termopar [en https://es.omega.com/prodinfo/termopares.html

línea].

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Disponible:

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[6] JM industrial. (2020). JM industrial. Termocupla [en línea]. Disponible: https://www.jmi.com.mx/termocupla -