Termoelectricidad: entendiendo termopares y el efecto Seebeck

Piezas y Materiales

• Longitud de cable de cobre desnudo (aislado)
• Longitud de cable de hierro desnudo (o aluminio si no disponible)
• Vela
• Cubitos de hielo

Referencias Cruzadas

Lecciones en Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 9: «Señales de Instrumentación Eléctrica»

Objetivos de Aprendizaje

• Ilustrar cómo funciona un termopar y su propósito práctico.

Diagrama Esquemático

Ilustración

Instrucciones del Experimento

1. Enrolla un extremo del cable de hierro a un extremo del cable de cobre. Conecta los extremos libres a una tira de terminales. Configura un voltímetro en su rango más sensible y conéctalo a los terminales de la tira. El medidor debería leer casi cero voltaje.

2. Este ensamblaje es un termopar, un dispositivo que genera un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre su unión (la punta enrollada) y los puntos de referencia en la tira. Cuando la temperatura de la punta iguala a la de la tira, el voltaje es cero.

3. Enciende una vela e inserta la punta enrollada en la llama. Observa el voltímetro: debería aparecer un voltaje positivo. Retira la punta, deja que se enfríe y confirma que el voltaje regresa a cerca de cero.

4. Toca la punta con un cubito de hielo. Registra el voltaje; nota si es mayor o menor que la lectura de la llama y si su polaridad se invierte. Luego calienta la punta sosteniéndola entre tus dedos y observa la tendencia del voltaje hacia cero.

5. El experimenta demuestra el efecto Seebeck —la generación de un voltaje debido a un gradiente de temperatura a lo largo de un conductor. Los termopares aprovechan este principio; el voltaje medido es la diferencia entre los voltajes Seebeck de los dos metales disímiles.

Fundamento Científico

Un termopar consiste en dos metales diferentes unidos en un extremo. Cuando la unión experimenta una diferencia de temperatura respecto a los otros extremos, cada metal desarrolla su propio voltaje Seebeck. El voltaje medido es la diferencia entre estos dos voltajes:

Como la relación entre diferencia de temperatura y voltaje es repetible y en gran medida lineal, los termopares se usan ampliamente como sensores de temperatura fiables. Al seleccionar diferentes pares de metales, se puede adaptar el rango de temperatura medible.