¿Cómo funciona un termopar?

Cuando los extremos de dos cables metálicos de metal diferente (digamos “A” y “B”, puro y / o aleaciones) se ponen en contacto, entre los extremos no conectados hay una diferencia de potencial eléctrico (“voltaje”) V ab ( T ) es generado. Este voltaje está determinado por el par de metales (A y B) y la temperatura T a la que se encuentra la unión AB. Este voltaje V ab ( T ) que se genera en los extremos es aproximadamente proporcional a la temperatura T de la unión AB.

¿Por qué se genera V ab ( T )?

Cada metal a una temperatura determinada T está compuesto de átomos que tienen una distribución electrónica de energía diferente (calculada mediante la mecánica cuántica). Esta distribución es como una huella digital: cada elemento es diferente.

Luego, debido a la diferencia en la distribución, cuando A y B entran en contacto, hay electrones que migran de un metal a otro. Esto significa que uno pierde electrones (y se vuelve eléctricamente positivo) y el otro gana electrones (y se vuelve eléctricamente negativo), lo que genera un campo eléctrico que apunta al metal negativo, el metal que recibió los electrones.

El proceso no continúa indefinidamente, porque en cada electrón habrá una fuerza eléctrica que se opondrá a la migración. Luego, el proceso finaliza cuando el campo eléctrico generado por la diferencia de carga alcanza el equilibrio.

En consecuencia, poner los metales en contacto genera un campo eléctrico que determina el voltaje V ab ( T ) entre este par de metales A y B a la temperatura T.

El fenómeno fue descubierto en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770-1831) , pero el principio físico se explicó mucho más tarde mediante el uso de la mecánica cuántica.

La pregunta se refiere a la aplicación más importante del “efecto Seebeck” , que es el termopar que se utiliza en la termometría como sensor de temperatura. El termopar actúa como un transductor que recibe una diferencia de temperatura y produce la diferencia de voltaje correspondiente.
Otra aplicación muy importante del efecto Seebeck está en los generadores termoeléctricos de radioisótopos ( RTG s), para generar energía eléctrica a partir del calor generado por una desintegración de radioisótopos. Esto es muy útil, por ejemplo, como fuente de energía en una sonda espacial que funciona lejos de la luz solar.

Para comprender los conceptos básicos, considere un caso artificialmente simple para comenzar: si tiene dos materiales y un circuito, tiene dos uniones. Obtiene un EMF termoeléctrico en la medida en que las uniones están a diferentes temperaturas. Con una buena combinación de materiales, puede ser de 50 microvoltios / C. En un circuito cerrado que creará una corriente inconvenientemente pequeña, por lo que desea abrir el circuito y usar un amplificador de voltaje sensible para aumentarlo a algo que realice una lectura. Por supuesto, eso significa que tiene tres uniones con hasta tres materiales diferentes, por lo que debe asegurarse de que los dos nuevos que creó al insertar el voltímetro tienen una temperatura de referencia conocida y común, y solo la unión de la sonda es diferente.

La relación entre el voltaje y la temperatura dependerá de:

  • los materiales utilizados
  • la magnitud y la dirección del cambio de temperatura

Diferentes materiales producirán diferentes cambios de voltaje a medida que cambia la temperatura. Algunos materiales producirán una relación bastante lineal en un rango razonable de temperaturas, pero luego no serán lineales más allá de ciertos umbrales. La región lineal (y sus umbrales) dependerán de los materiales utilizados para el termopar. Otros factores también pueden entrar en juego, como la forma en que se unen los materiales; por ejemplo, placas intercaladas versus cables retorcidos, o unión mecánica versus unión soldada.

Independientemente de cómo fabrique su termopar, necesitará experimentar para encontrar su rango efectivo de operación. Como señala Mark Barton, necesitará un amplificador y deberá asegurarse de que las uniones de su termopar a su medidor de voltaje tengan una temperatura de referencia conocida y común.

Encontré el siguiente documento de NIST que describe la calibración y composición de termopares, nombres comerciales y designaciones de letras para materiales comunes de termopares. Puede ser de alguna utilidad para usted.