Termopar

Cuando se ponen en contacto entre sí dos metales distintos, se generan entre ellos un pequeño voltaje en el rango de los milivoltios. Esta fem de unión es dependiente de la temperatura y puede usarse como un termómetro. Si un circuito formado por una malla con dos trozos de alambre de metales diferentes, se colocan cada uno de ellos a diferente temperatura, fluirá una pequeña corriente alrededor de la malla de alambre. Se puede construir un termómetro colocando un alambre a una temperatura estándar, por ejemplo en un baño de hielo y el otro alambre sobre el material cuya temperatura queramos medir. Uno de los pares que se usan a menudo es el formado por el hierro y el constantán (aleación de níquel-cobre). Esta combinación da un voltaje del orden de los 5 milivoltios cuando uno de los alambres está a 100ºC y el otro a 0ºC.

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FEM de Unión

Cuando se ponen en contacto entre sí dos metales distintos, se generan entre ellos un pequeño voltaje del orden de milivoltios. Esta fem de unión es dependiente de la temperatura y puede usarse como un termómetro, haciendo con dos cables de metales distintos un termopar.

La producción de fem de una unión está asociada con la diferencia en los niveles de Fermi de los dos metales. Si un electrón en un metal está en el nivel de energía Fermi EF en un metal, entonces se requiere una cierta cantidad de energía para que el electrón escape del metal, y esta energía se conoce como la "función de trabajo" φ del metal. Los metales diferentes en general tendrán diferentes funciones de trabajo, por lo que si dichos metales se ponen en contacto firme donde los electrones puedan transferirse entre ellos, habrá una fem efectiva o voltaje entre ellos igual a la diferencia en las funciones de trabajo φA - φ B. Si hay una ruta conductora para formar un circuito completo, entonces los electrones fluirán desde el metal de nivel de Fermi más alto al que tiene un nivel de Fermi más bajo.

Sin embargo, si el circuito eléctrico completo está hecho con cables de los mismos metales unidos en ambos extremos, y las dos uniones están a la misma temperatura, no habrá flujo neto de electrones alrededor del circuito ya que los dos potenciales de unión se cancelan entre sí. Se pueden hacer dispositivos útiles manteniendo las dos uniones de dicho circuito a diferentes temperaturas.

El uso generalizado de termopares surge de la medición del potencial de unión ya que depende de la temperatura. Sin embargo, la dependencia de la temperatura no es lineal y debe ser calibrada empíricamente para dar una indicación precisa de la misma. Esta dependencia de la temperatura del potencial de unión fue descubierta por Seebeck en 1821, por lo que a menudo se le llama "efecto Seebeck". Los voltajes típicos para una unión simple son del orden de 10-6 voltios/K, por lo que para obtener un voltaje de señal más alto, se combinan en serie muchos de ellos en una sonda de temperatura.

Con un gran número de uniones y suficiente cantidad de calor, se puede construir un generador termoeléctrico. Como las misiones espaciales requieren un extenso periodo de generación de energía eléctrica, se ha utilizado el calor del decaimiento radioactivo para crear Generadores Eléctricos de Radioisótopos (RTGs). En el momento del aterrizaje del Laboratorio de Ciencia de Marte en Agosto de 2012, los EE. UU. habían lanzado 45 RTGs como parte de 26 misiones espaciales.

El "efecto Peltier" es lo contrario del efecto Seebeck e implica el uso de un voltaje de activación para forzar la corriente a través de la unión de metales diferentes. Da como resultado el enfriamiento de la unión si la corriente es forzada a fluir en una dirección, y el calentamiento de la unión si es forzada en la dirección opuesta. Esto se usa para crear pequeños refrigeradores termoeléctricos. En la unión se superpondrá el calentamiento eléctrico óhmico al efecto Peltier, lo cual es una ventaja si su intención es la calefacción, pero funciona en contra de su refrigerador termoeléctrico.

Otro efecto con conductores metálicos relacionado con los efectos Peltier y Seebeck se denomina "efecto Thomson". Es un efecto de calentamiento o enfriamiento en un metal si la corriente es forzada a fluir a lo largo de un gradiente térmico que se mantiene en el metal. La energía cinética efectiva de los electrones cerca del nivel de Fermi es ligeramente más alta para temperaturas más altas. Si una fem produce un flujo de electrones en una barra de metal desde un extremo mas frio al extremo más cálido, los electrones necesitarán ganar algo de energía cinética para que estén en equilibrio en el extremo más cálido. Deben obtener esta energía del depósito térmico de la red cristalina, por lo que habrá un efecto de enfriamiento de la red metálica en ese extremo.

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