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Informe sobre la práctica de Actuadores de Efecto Peltier
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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¡No te pierdas las partes importantes!
1. Objetivos 2. Marco teórico 3. Guía de práctica 4. Desarrollo de guía 5. Análisis de resultados 6. Conclusiones 7. Documentación 8. Hojas de Características del Fabricante
Figura 1. Moviendo los electrones de la Banda de Conducción a la Banda de Valencia para producir calor y Moviendo los electrones de la Banda de Valencia a la Banda de Conducción para producir Frío. El diseño de materiales Tipo N y Tipo P se logró gracias a los avances en físico- química, con base en el Modelo Atómico de Bohr, en donde los electrones giran en niveles energéticos diferentes alrededor del núcleo, quién se encuentra constituido mayoritariamente por Protones, Neutrones, Leptones y Hadrones. Ver Figura 2. Figura 2. Modelo Atómico de Bohr
Como se explicó anteriormente, el diseño de actuadores de EP (Ver Figura 1), parte del hecho de obligar a los electrones a moverse por la Banda de Conducción hacia la Banda de Valencia, para producir calor y posteriormente, obligarlos a pasar de la Banda de Valencia hacia la Banda de Conducción para producir frío. Para poder llevar a cabo este proceso se requiere del diseño de moléculas con muchos electrones libres en la Banda de Conducción (recordar que la Banda de Conducción está más alejada de los núcleos de los átomos que la Banda de Valencia, y por lo tanto, tiene más energía). A este tipo de materiales se les conoce como Tipo N. Se requiere además, del diseño de moléculas que faciliten la conducción de corriente eléctrica a través del nivel energético de Valencia, es decir, se debe lograr un material rico en enlaces covalentes incompletos. Este tipo de material se le conoce como material Tipo P. Es preciso explicar, que un enlace covalente incompleto tiene la tendencia natural a completarse, por lo tanto, atraerá siempre a un electrón. Si energizo con una fuente de Corriente Continua un trozo de material constituido por dichas moléculas, la corriente de electrones fluirá por la Banda de Valencia, ya que los electrones inevitablemente serán atraídos por los enlaces covalentes incompletos, “Huecos”. DISEÑO DE MATERIALES TIPO N Un material Tipo N, para circuitos electrónicos, se diseña con materiales del Grupo IV de la Tabla Periódica (Carbono, Silicio, Gemanio, Estaño, Plomo, Ununquadio) o con las moléculas de Arseniuro de Galio siendo hoy en día, el Silicio, el material preferido debido a su bajo costo y la facilidad de explotación. Este material hay que doparlo con materiales del Grupo V de la Tabla Periódica (Nitrógeno, Fósforo, Arsénico, Antimonio, Bismuto), siendo el Arsénico y el Fósforo los preferidos para fabricar materiales tipo N en circuitos electrónicos análogos y digitales (Micro procesadores - Computadores). Para actuadores de “Efecto Peltier” los materiales Tipo N han tenido que diseñarse con materiales de baja conductividad de calor y las investigaciones han llevado a crear moléculas de Bismuto- Teluro o Selenio- Antimonio. El Bismuto es una material del grupo V pero su último nivel está conformado por dos electrones en la subcapa “s” y tres electrones en la subcapa “p”. Por lo tanto este material puede combinarse con materiales del grupo IV para formar materiales tipo P(tomando solo tres electrones del último subnivel),o puedo construir materiales tipo N(usando todos los 5 electrones del último nivel),como se explicará más adelante. Para lo anterior se debe tener en cuenta la diferencia entre NIVEL y subnivel o subcapa energética.
Figura 4. Estructura de las Bandas de Energía en los Materiales Tipo N. Nota: Todas las investigaciones tendientes a diseñar nuevos materiales Tipo N, pueden hacerse con disímiles átomos, pero el diseñador tendrá que cumplir con un objetivo fundamental: Se tienen que dejar las moléculas de tal manera que existan billones de electrones libres en la Banda de Conducción. DISEÑO DE MATERIALES TIPO P Un material tipo P clásico, para usarlo en circuitos integrados de electrónica digital y análoga, se construye con base en Silicio y un material del Grupo III como Boro, Aluminio, Galio, Indio, Talio y Ununtrio, siendo el Boro, el Aluminio y el Galio los preferidos para la construcción de materiales P. Ver Figura 5. Esta reflexión es sencilla, los materiales del Grupo IV tenderán a formar cuatro (4) enlaces covalentes, pero como son mezclados con materiales del Grupo III siempre habrá un enlace covalente incompleto por cada átomo del Grupo III que se logre fundir con el material del Grupo IV. Con el ánimo de explicar con facilidad la “construcción” de un material Tipo P, en la Figura 5 se muestra una molécula con base en Silicio y Aluminio. Figura 5. Estructura Atómica de un Material Tipo P combinando un material del Grupo IV con un material del Grupo III de la Tabla Periódica.
En el caso de actuadores de “Efecto Peltier”, actualmente se hace investigación buscando un material que tenga posibilidades de formar moléculas Tipo P, pero que sea mal conductor del calor. Esta búsqueda ha arrojado, hasta el momento, el uso de una molécula con dichas propiedades, construida alternando capas delgadas de Bismuto- Teluro o Antimonio-teluro. En consecuencia, tendremos un material con billones de enlaces covalentes incompletos en la Banda de Valencia y unos pocos electrones que suben a la Banda de Conducción gracias a enlaces covalentes rotos por calor o luz. Ver Figura 6. Figura 6. Estructura de las Bandas de Energía en un Material Tipo P (La gran cantidad de Enlaces Covalente Incompletos en la Banda de Valencia facilitan el paso de electrones). Nota: Todas las investigaciones tendientes a diseñar nuevos materiales Tipo P, pueden hacerse con disímiles átomos, pero el diseñador tendrá que cumplir con un objetivo fundamental: Se tienen que dejar las moléculas de tal manera que existan billones de enlaces covalentes incompletos en la Banda de Valencia.
muchos refrigerantes cancerígenos y/o de otros que dañan la capa de ozono; será “el ser humano más Satisfecho sobre la tierra porque generará miles de empleos y ganará billones de dólares obtenidos científicamente… Ojalá sea un colombiano”. Figura 7. Construcción de un actuador de “Efecto Peltier” alternando cuatro Materiales Tipo P y Tipo N Laboratorio.
3. GUÍA DE LABORATORIO Diseño sugerido:
¿Cuánta corriente midió el amperímetro? ¿Cuánta diferencia de potencial midió el voltímetro? ¿Cuánta temperatura midió en el lado frío? (use el termómetro que trae su multímetro) ¿Cuánta temperatura midió el lado caliente? Baje la resistencia R a 10Ω, 10 W y tome las mismas mediciones. Baje la resistencia R a 1 Ω (la resistencia de 1 Ω elabórela con 2 metros de alambre de cobre para protoboard) y tome las mismas mediciones. ¿Qué relación encuentra entre la corriente y la temperatura?
4. DESARROLLO DE LA GUÍA DE LABORATORIO La corriente a través del circuito se mide con un amperímetro de la fuente de alimentación, la tensión de ésta se mide con su propio voltímetro, multímetro y amperímetro en cada lado del actuador Peltier. A continuación, se presentan todas las mediciones para cada caso: Figura 8: Sin resistencia, el circuito está a 22°C de temperatura ambiente.
Figura 11: Resistencia de 1Ω, 6.02V, 0.985A, 43°C y 16°C Este efecto es reversible, ósea que si se aplica una diferencia de temperatura en el actuador Peltier, puede generar corriente eléctrica. De esta manera se pueden realizar las mediciones de corriente a temperatura ambiente y luego de encender el primer actuador Peltier: Figura 12: A temperatura ambiente, 3.4mA
Figura 13: Después de 1 minuto de encendido, 97.8mA Usando la ley de Ohm, se calcula la tensión que cae en el resistor para cada caso, como se muestra: VR 1 = IR 1 ∗ R 1 =0.0 59 A ∗ 100 Ω =5.9 00 V VR 2 = IR 2 ∗ R 2 =0. 416 A ∗ 10 Ω =4.16 0 V VR 3 = IR 1 ∗ R 3 =0. 985 A ∗ 1 Ω =0.98 5 V Ahora, se calcula la tensión que cae en el actuador Peltier para cada caso, así: Vpeltier 1 = VF − VR 1 =6.02 V −5.9 V =0. 1 20 V Vpeltier2 = VF − VR2 = 6.02V − 4.16V = 1.860V Vpeltier3 = VF − VR3 = 6.02V − 0.985V = 5.035V Conociendo los datos anteriores, se desarrolla la siguiente tabla: Resistencia ( Ω ) Voltaje Peltier(V) Corriente Peltier (A) Temperatura lado caliente (°C) Temperatura lado frío (°C) 1 0.120 0.059 21 19 10 1.860 0.416 29 17 100 5.035 0.985 43 16
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS Como se observó en la tabla anterior la corriente y tensión del actuador Peltier actúan directamente proporcional, pues si una aumenta la otra también lo hace. Sin embargo, cuando la temperatura en el lado caliente se empieza a cambiar al lado frío, se cancela el efecto y en los valores al cambiar de resistencia se ve que la temperatura en el lado caliente es mayor a la temperatura en el lado frío.
