Termopotencia

Clásicamente, una diferencia de temperatura aplicada causa portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundirse desde el lado caliente al lado frío, similar al gas clásico que se expande cuando se calienta.

Portadores móviles cargados migran al lado frío dejando atrás su núcleo inmóvil opuestamente cargado al lado caliente dando origen así al voltaje termoeléctrico (termoeléctrico se refiere al hecho que el voltaje es creado por una diferencia de temperatura). Puesto que una separación de carga también crea un campo eléctrico, la acumulación de portadores cargados en el lado frío finalmente cesa en algún valor máximo ya que existe una cantidad de portadores cargados derivados movidos al lado caliente como resultado del campo eléctrico en equilibrio. Solo un incremento en la diferencia de temperatura puede reanudar una acumulación de más portadores de carga en el lado frío y así conllevar a un incremento en el voltaje termoeléctrico. Casualmente la termopotencia también mide la entropía por portador de carga en el material.

La termopotencia de un material representada por ${\displaystyle S}$, depende de la temperatura y estructura cristalina del material. Típicamente los metales tienen termopotencias bajas porque la mayoría tiene bandas medio llenas. Ambos electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas) contribuyen al voltaje termoeléctrico inducido así se cancelan cada uno con la contribución al voltaje de otro y hacerlo pequeño. En cambio, los semiconductores pueden estar dopados con una cantidad en exceso de electrones o huecos y así se puede tener grandes valores positivos o negativos de la termopotencia según la carga de los portadores en exceso. El signo de la termopotencia puede definir que portadores cargados domina el transporte eléctrico en ambos metales y semiconductores.

Los superconductores tienen termopotencia cero pues los portadores cargados no producen entropía. Equivalentemente, la termopotencia es cero debido a que es imposible tener un voltaje ínfimo a través de un superconductor. (Por ejemplo, por Ley de Ohm, V=IR=0, la resistencia, R, es igual a cero en un superconductor.)

Si la diferencia de temperatura ${\displaystyle \Delta }$T entre dos extremos de un material es pequeña, entonces la termopotencia de un material es convencionalmente (aunque solo aproximadamente, ver abajo) definida como:

${\displaystyle S=-{\Delta V \over \Delta T}}$

donde ${\displaystyle \Delta }$V es el voltaje termoeléctrico en los terminales. (ver abajo para mayor información de los signos de ${\displaystyle \Delta }$V and ${\displaystyle \Delta }$T.)

Esto también puede escribirse en relación con el campo eléctrico ${\displaystyle E}$ y el gradiente de temperatura ${\displaystyle \nabla T}$, por la ecuación:

${\displaystyle S={E \over \nabla T}}$

Estrictamente hablando, estas dos expresiones son solo aproximadas: El numerador de la primera ecuación debería ser la diferencia en (potencial electroquímico dividida por -e), no el potencial eléctrico, y también la segunda ecuación debería tener el gradiente del potencial electroquímico dividido por e en vez del campo eléctrico. Sin embargo, el potencial químico es a menudo constante relativamente en función de la temperatura, así que usar solo potencial eléctrico en estos casos es muy buena aproximación.

En la práctica raramente se mide la termopotencia absoluta del material de interés. Debido a que los electrodos conectados al multímetro se pueden colocar en el material para de medir el voltaje termoeléctrico. El gradiente de temperatura también induce un voltaje termoeléctrico a través de una de las puntas de los electrodos. Por lo tanto la termopotencia medida es una contribución de la termopotencia del material de interés y del material de los electrodos de medida. Esta disposición de dos materiales se suele llamar termopar.

La termopotencia medida es entonces una contribución de ambos y puede escribirse como:

${\displaystyle S_{AB}=S_{B}-S_{A}={\Delta V_{B} \over \Delta T}-{\Delta V_{A} \over \Delta T}}$

los Superconductores tienen termopotencia cero, como se mencionó anteriormente. Por usar guías superconductoras, es posible obtener una medida directa de la termopotencia absoluta del material de interés, ya que es la termopotencia de todo el termopar también.

Una medida del Coeficiente Thomson, ${\displaystyle \mu }$, de un material también puede producir la termopotencia mediante la relación : ${\displaystyle S=\int {\mu \over T}dT}$

El efecto termoeléctrico se usa a veces para generar potencia eléctrica, a partir de una fuente de un gradiente de temperatura. Por ejemplo, algunas naves espaciales son impulsadas de esta manera, explotando la diferencia de temperatura entre una placa calentada radiactivamente y el espacio vacío frío alrededor de la nave. Algunos investigadores esperan que, en el futuro, pueda hacerse un uso más amplio de la generación de la potencia termoeléctrica, incluso usando de calor residual de automóviles y plantas de energía.

La eficiencia con la que un material termoeléctrico puede generar energía eléctrica depende de varias propiedades de los materiales, en la que quizás el más importante es el termopotencia. Un mayor voltaje termoeléctrico inducido para un gradiente de temperatura dado conllevará a una mayor eficiencia. Lo ideal es desear valores de termopotencia muy grandes ya que solo se necesita una cantidad pequeña de calor para crear un voltaje grande. Este voltaje se puede usar para producir potencia.

• Telururo de bismuto
• Dióxido de uranio
• Perovskitas, una clase de compuestos incluyendo SrRuO₃ para los que el coeficiente Seebeck es igual a 36 ${\displaystyle \mu }$VK⁻¹ (microvoltios por kelvin) a temperatura ambiente.

• Esta obra contiene una traducción derivada de «Thermopower» de Wikipedia en inglés, publicada por sus editores bajo la Licencia de documentación libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional.