Efecto Termoeléctrico UNMSM

I.-OBJETIVOS:

Estudiar la conversión de la energía térmica en eléctrica

II.-PRINCIPIOS TEORICOS

PAR TERMOELÉCTRICO, TERMOCUPLA O TERMÓMETRO TERMOELÉCTRICO

Una termocupla es un sensor para medir temperatura. Consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Ese voltaje es medido por un termómetro de termocupla.

Las mediciones de temperatura que utilizan termocuplas o termopares se basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821. Este se puede resumir de la siguiente manera: una corriente fluye en un circuito contínuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperaturas distintas. La corriente será proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

Lo anterior se puede representar según el siguiente esquema en que la sonda termoeléctrica acciona el galvanómetro (aparato para fuerzas electro motrices):

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En la práctica, la soldadura de referencia permanece a temperatura ambiente, en general dentro del mismo instrumento. Como usualmente el galvanómetro está a apreciable distancia (entre 1 y 100 metros) de la soldadura caliente y sería muy costoso prolongar metales de la termocupla hasta esas distancias, se intercala entre la termocupla y el galvanómetro un cable llamado cable de compensación. Este es de una aleación especial que no forma termocupla con los metales ni con los bornes del instrumento, no alterando prácticamente las indicaciones del galvanómetro.

DETERMINACIÓN DE LA POLARIDAD

Cuando t > t0, se genera corriente en (1). El sentido de la corriente que llega a la unión (2), (fría) determina el signo del conductor, como de la f.e.m. El electrodo positivo (+) es aquel que la corriente se dirige en una soldadura cuya temperatura t0 t y negativo (-) a la corriente que sale del mismo (2).

Variando la temperatura t0 > t, cambia el sentido de la corriente en las uniones, pero el signo del electrodo permanece invariable puesto que la corriente llega a la unión fría (1).

El subíndice (A) se escribe primero, luego el B negativo en el símbolo de la f.e.m.: CAB, A = +, B = -

GENERACIÓN DE LA FUERZA ELECTROMOTRIZ

La generación de la f.e.m se basa en la existencia de electrones libres en los metales. La densidad de los electrones libres (su cantidad por unidad de volumen) no es igual; por eso en los puntos de contacto de los metales heterogéneos, por ejemplo en la unión (1), los electrones se fundirán del metal A al B (que tiene menor densidad de electrones libres) en mayor cantidad que en dirección inversa o sea del metal B al A. El campo eléctrico que surge

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en este caso en el lugar de la unión, obstaculizará dicha difusión y cuando la velocidad de transición por difusión de electrones llegue a ser igual a la velocidad de transición de estos, bajo la influencia del campo establecido, comenzara un estado de equilibrio dinámico. En tales condiciones, entre los metales A y B se aparece cierta diferencia de contacto de los potenciales. Como la densidad de los electrodos libres, también dependen de la temperatura del contacto de dichos conductores, a cualquier temperatura surgirá una f.e.m. CAB(t)-(t), llamada fuerza electromotriz de contacto, cuyo valor y sigo dependen de la naturaleza de los metales y la temperatura t del punto de contacto.

En un conductor cerrado termo eléctricamente homogéneo a todo lo largo del mismo, no surge corriente térmica al calentar de un modo desigual sus partes. Sin embargo esto no quiere decir que el mismo no surja fuerza termoeléctrica motriz.

En un conductor no cerrado, si se ha calentado desigualmente en sus extremos puede surgir una diferencia de potencial.

Depende solo de las temperaturas en los extremos del conductor y no de la distribución de estas a lo largo del mismo.

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III.-PROCEDIMIENTO:

Armar el siguiente esquema:

Leyenda:

1.- Fuente alterna,220v, 60 Hz.

2.- Instrumento medidor y regulador de temperatura,

3.- Contactor.

4.- Termocupla.

5.- Horno (cocinilla)

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La variable para medir la temperatura es el voltaje generado en la unión de dos metales diferentes, el cual varía al cambiar la temperatura.

Alimentar con tensión de 220v a la cocinilla, hasta que el agua entre en ebullición. Una vez logrado ello, introducir la termocupla al recipiente.

En el instante de ebullición tomar medidas de temperatura 4 veces (con el termómetro de Hg), anotar al mismo los milivoltios que indica el HDC.

ºC VΔ

99 0.5

95.6 0.4

75 0.3

65.6 0.2

56 0.1

47.8 0.0

Desconectar la tensión a la cocinilla.

Durante el enfriamiento lento del agua, realizar mediciones de:

temperatura (termómetro de Hg) milivoltios (que indica el HDC)

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IV.-CUESTIONARIO

1. Describir las características de los elementos de los esquemas I y II.

a) Sensor bimetálico: Es un aparato constituido de dos tiras delgadas de metales diferentes que se unen a todo lo largo.

b) Contactor: Es un aparato mecánico de conexión accionada por un electroimán. Cuando la bobina del electroimán esta accionado, el contactor se cierra dejando pasar la corriente.

En el momento en el que la bobina deja de ser acciona (alimentada) el contactor se abre bajo los efectos de los resortes de presión de los polos.

c) Termocupla: Es un instrumento que consiste en dos conductores, cobre y constantan que están unidos por torsión es sus extremos, formando un circuito, que al calentar uno de sus extremos permaneciendo el otro frío surge una corriente eléctrica.

d) Interruptor de control: Este es usado con el sensor bimetálico, el sensor bimetálico al elongarse hace contacto con este interruptor, y este les comunica a la bobina del contactor y esta abre el circuito, mientras éste caliente, pero al disminuir la temperatura nuevamente se acciona el circuito.

e) Cocinilla: Es un aparato que sirve para calentar al sensor bimetálico, este conecta al contactor.

2. Cuántos circuitos eléctricos (cerrados) existen en el esquema Nº I

En el diagrama I existen dos circuitos cerrados.

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a) L1, hasta la entrada del Nc del termostato (cuando los conductores están presionando) de la salida del NC del termostato hasta la entrada de la bobina del conductor y de la salida de la bobina del contactor hasta L2.

b) L1 y L2 a las entradas de dos no del contactor ( que va a estar cerradas pues hay voltaje en la bobina) y de las salidas de los no del contactor hasta la de la cocinilla (uno a la entrada y el otro a la salida de la cocinilla)

3. Dibujar la termocupla usada, indicando los materiales de su composición y la polaridad correspondiente:

“t” t0

Hilo de hierro

Unión + (+) unión Fig. (α)

caliente (-) fría

t › t0 Hilo de cobre

“t” Hilo de hierro t0

Unión + unión Fig. ( )θ

fría _ (-) caliente

t › t0 Hilo de cobre

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4. Por el interruptor del control del 192 PDCK. Qué cantidad de corriente alterna circula.

El interruptor simple es parte del circuito de control de la bobina del contactor.

En la práctica no se utilizo el interruptor en forma de varilla.

5. Construir la curva de regulación de la termocupla usada, con referencia al punto de ebullición del agua (Temperatura 0C vs. Milivoltios)

Datos a graficar:

6. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

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40 50 60 70 80 90 100 1100

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

f(x) = 0.00885501015644927 x − 0.397891576446872R² = 0.972027114887945

T° Vs E ºC VΔ

99 0.5

95.6 0.4

75 0.3

65.6 0.2

56 0.1

47.8 0.0

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El circuito elaborado en el laboratorio nos da la idea de poder usarlo en un circuito de seguridad, por ejemplo un circuito que nos corte el paso de la corriente eléctrica cuando se alcance una temperatura crítica evitando así posibles accidentes.

La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal. Por esto, el instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, deberá efectuar la linealización, es decir, tomar el voltaje y, según el tipo, ver en tablas internas a qué temperatura corresponde.

El termostato esta en función a la temperatura, no al tiempo que permanece expuesto al calor.

A cierta temperatura la termocupla permite el paso de la corriente, una cierta cantidad de voltaje (milivoltios) que esta en relación con la temperatura.

A mayor temperatura, mayor cantidad de milivoltios y a menor temperatura, menor cantidad de milivoltios.

Es sensor de temperatura, (termostato) bimetálico ase observa que al calentar un extremo del sensor, los metales se dilatan, esto hace que el extremo del metal haga contacto con el interruptor del control.

La termocupla desarrolla una fuerza electromotriz debido a que en sus extremos hay una diferencia de temperaturas. Esta f.e.m. será positiva si la temperatura del extremo de trabajo es mayor que el otro extremo.

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