6‐1

PRÁCTICA6

TERMOELECTRICIDAD.MÓDULOPELTIER

OBJETIVO

EstudiodelosefectosSeebeckyPeltierenunmódulodeparestermoeléctricos.

MATERIALNECESARIO! 2polímetros! Cablesdeconexión! FuentedealimentaciónDCde2.5Ay12V

! Bombadeacuario! Hieloyrecipienteparaelbañohielo‐agua

INTRODUCCIÓNTEÓRICA

Un módulo termoeléctrico o módulo Peltier consiste en un circuitoeléctricoenelquesedisponenalternativamentedosconductoresdistintos(fig.1).Lageometríadelmódulohadepermitirquelatemperaturadelasunionespuedatenerdosvaloresdistintos,

€

T1y

€

T2(fig.1).Ennuestrocasoelmóduloestáformadopor71paresdesemiconductorespyndetelerurodebismuto(

€

Bi2Te3).

Figura1.Esquemadelmódulo.

€

T1y

€

T2temperaturasdelosbloques.FAeslafuentedealimentación.

Unadiferenciadetemperaturas

€

ΔT =T2−T1entrelosbloquesencircuitoabiertogeneraunaf.e.m.térmica(efectoSeebeck)

€

ET =αΔT , (1)

endonde

€

α eslapotenciatermoeléctricadelmódulo(71vecesmayorquelapotenciatermoeléctricadeunparp‐n).

Enel circuitode la figura1 tenemosunmóduloyuna fuentedealimentación (FA).Paradeterminar lacorrienteeléctrica

€

I hemosdetenerencuentalaf.e.m.térmicadelmóduloyladiferenciadepotencial

€

V impuestaentrelosbornesdelaFA,esdecir

€

V −αΔT =Rmódulo I (2)

donde

€

Rmóduloeslaresistenciaeléctricadelmódulo.

n

p

T T1 2

(+)

(-) FA

Cu

Cu

6‐2

Lacorrienteeléctricadesarrollaenelmódulootroefecto(efectoPeltier)encircuitocerrado.Alpasardelsemiconductornalpsecedeenergíaalaunión,creándoseunadiferenciadetemperaturasentrelosdosbloques.Siseinvierteelsentidodelacorriente,seinvertiráasimismoladiferenciadetemperaturas(québloquesecalientaycuálseenfría).

PROCEDIMIENTOEXPERIMENTAL

Elóhmetro(Ω)mideelvalordelaresistenciadelostermistores(

€

R1 y

€

R2)colocadosenlosbloques;así

podremosconocerlastemperaturas

€

t1y

€

t2.Paracalcular

€

t(C)apartirdeR(kΩ),seaplicalarelación

€

t(C)=4260.43−0.0573798

lnR+9.66725−273.15 (3)

En esta práctica vamos a estudiar el circuito delmódulo termoeléctrico endos situaciones: en circuitoabiertoyencircuitocerrado.

Circuitoabierto.EfectoSeebeck

SepreparaelmontajemostradoenlaFigura2:laFAseconectaalaresistenciaeléctricaembutidaenelbloque 2. El circuito eléctrico del módulo queda abierto: el voltímetro medirá la tensión

€

V entre losterminales (+) y (‐). El procedimiento a seguir se inicia preparando el baño agua+hielo que ha derefrigerarelbloque1.

Alponerenmarchalabomba,sehadecomprobarqueelaguacircula;encasocontrariosedebecebar labomba.

Acontinuaciónseajusta la tensióndesalidade laFAaunos8Vduranteunos instantes.Elbloque2secalentaráporencimadelatemperaturaambiente.

Apaga tanto la refrigeración como la calefacción. Espera a que los bloques vuelvan a alcanzar unatemperaturasimilar.ConectalabombaylaFAytomadatosduranteunosminutos,aintervalosde30s,delas tres magnitudes

€

R1 ,

€

R2 y

€

V . Representa los resultados

€

V frente a

€

ΔT y calcula la potenciatermoeléctricadelmódulo.Tenpresentequeesimportantequelalíneaderegresión

€

V =αΔT paseporelorigen.

Notasobreseguridad:EnestemontajelaFAnodebetrabajarconunpotencialdesalidasuperiora8V.Encasocontrario,elbloque2alcanzarátemperaturaselevadasdañandoalmódulo.

Figura2.‐Funcionamientodelmóduloencircuitoabierto.

6‐3

Circuitocerrado.EfectoPeltier

MontaelcircuitodelaFig.3sinencenderlaFA.¡¡¡Nointercalesenelcircuitoningunaresistenciadecarga(1,2o3Ω),sefundirían!!Notengasinconvenienteenllamaralprofesorparaquereviseelmontaje.

DuranteunbrevetiempoenciendelaFAyajustalaintensidadaunvalorpróximoa1,0A,quesepuedeleerenlapantalladelamperímetroembutidoenlaFA.

Unavez losbloqueshanvueltoaalcanzar lamismatemperatura,conectademodopermanente laFAyempiezaaanotarduranteunosminutos,aintervalosde30s,losvaloresde

€

R1 ,

€

R2,

€

V e

€

I .Elvalorde

€

I suelemantenerseconstante;encasodequevaríemodificalaposicióndelbotóndeintensidadenlaFA.Enestascondicionessecumple

€

V =αΔT +Rmódulo I .

Notasobreseguridad:Sedebeinterrumpirlaexperienciacuandosemidanvaloresde

€

R1o

€

R2menoresde22,5kΩ.Deestemodoningunodelosbloquessuperaráellímitedelos60°C.

Figura3.‐Esquemadefuncionamientoencircuitocerrado.

PRESENTACIÓNDERESULTADOS

(a) Experimento en circuito abierto. Con los valores

€

t1,

€

t2 y

€

V representa la recta de regresión

€

V = f (Δt)quepaseporelorigen.Acontinuacióncalculalapotenciatermoeléctricadelmódulo

€

α .(b) Experimentoencircuitocerrado.Conlosvalores

€

t1,

€

t2,

€

V ,

€

I y

€

α (estaúltimahasidoobtenidaenelapartadoanterior)determinalaecuacióndelarecta

€

y = f (x) ;

€

y ≡V ,

€

x ≡ Δt .Como

€

I sehamantenido constante, calcula el valorde

€

Rmódulo . Representa también

€

Ti (i =1, 2) respecto altiempo.

(c) Alavistadelosresultadosobtenidoscomentalosefectostermoeléctricosquehasobservado.

CUESTIONESCOMPLEMENTARIAS

Se sabe que el flujo de energía en el circuito eléctrico tiene el mismosentidoquelaintensidaddecorrienteeléctrica.Dadoelpequeñovalordelaresistenciaeléctricadelmóduloelflujodeenergía

€

JCu quesaleesunpoco menor que el que entra; incluso aquí llegamos a más puesconsideramos el valor de

€

JCu igual en cualquier sección de losconductoresdecobre.

Sepregunta:

(d) Elflujodeenergía

€

Jn ¿esmayoromenorque

€

Jp?

n

p

T T1 2

(+)

(-) FA

Cu

Cu

ab

d e

6‐4

(e) Elflujodeenergía

€

Jn ¿esmayoromenorque

€

JCu?(f) Señalaelsentidodelosflujosdeenergíaena(entreelexterioryelbloque1),b(entreelbloque

1yelmódulo),d(entreelmóduloyelbloque2)ye(entreelbloque2yelexterior).(g) Losflujosdeenergíaena,b,dyesonflujosdecalor.Losflujos

€

JCu ,

€

Jn y

€

Jp sonflujosdeenergíaperonodecalor:¿porqué?