Termocupla

Laboratorio II de Física

CAPÍTULO 8 LA TERMOCUPLA

CAPÍTULO 8. “LA TERMOCUPLA”
Marco Teórico
Una Termocupla se forma al unir dos metales diferentes, como indica la Figura 8.1. Como resultado de esta unión aparece entre los extremos libres de los metales una diferencia de potencial que depende de la Temperatura. Este fenómeno se conoce como Efecto Seebeck, quien en 1821 estudió sucomportamiento. Este efecto permite calibrar la Termocupla para usarla como un Termómetro.

Metal 1

VSEEBECK
B B

TAMB
B B

T

Metal 2 Figura 8.1. Termocupla: El Voltaje en el extremo libre depende de la Temperatura de la unión ( T ), de la Temperatura de los extremos libres, la cual usualmente es la Temperatura Ambiente y de los tipos de metales. El Efecto Seebeck es la suma de dos efectosindependientes, a saber: 1. 2. El Potencial de Contacto debido a la unión metal-metal y El Doble Voltaje de Thomson debido a que cada uno de los dos metales tiene una diferencia de Temperatura entre sus extremos. J. J. Thomson (más conocido por su título de Lord Kelvin) estudió este efecto en 1851. A continuación vamos a estudiar cada uno de estos efectos por separado:

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El Potencial de Contacto metal-metal VC.
U UB UB

La unión de dos metales diferentes (Elementos metálicos y/o aleaciones) genera una diferencia de potencial que depende de la Temperatura. En general el voltaje que aparece entre los metales es tan pequeño (del orden de milivoltios), que para la mayoría de las aplicaciones eléctricas puede considerarse que losmetales están a un mismo potencial. Sin embargo, este pequeño voltaje es también responsable de corrosiones y oxidaciones en los metales, por ejemplo: en los bornes de plomo de las baterías de un carro, donde se unen con los cables de cobre. En un metal los electrones de la última capa de sus átomos están tan poco ligados a estos que permanecen sumergidos dentro de todo el metal como electrones“casi-libres”. No son enteramente libres porque no pueden salir del metal. Simplificando podemos considerar que los electrones dentro del metal están bajo la acción de un potencial producido por el material, que es prácticamente constante (excepto en pequeñas variaciones muy cerca de cada átomo), como se presenta, para el eje x, en la Figura 8.2: E Ee
B B

o

x D

Figura 8.2. Pozo de Potencialque experimentan los electrones dentro de un metal de longitud D. Los electrones de menor energía necesitan una energía Ee para escaparse del sólido.
B B

Si n representa el número de electrones por unidad de volumen, definamos:

ρ=

dn , como la Densidad de electrones por unidad de Energía (Histograma de dE

Energías). Un estudio posterior del tema permite determinar que esta Densidad o156

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Distribución de Energías de los electrones se relaciona con las siguientes dos magnitudes físicas: 1. El número de estados cuánticos que el sólido le permite ocupar a los electrones. 2. La probabilidad de que un electrón ocupe esos estados cuánticos. Como los electrones tienen spin semi-entero ( s = ½ ), dicha probabilidad correspondecon una distribución de Fermi-Dirac. En la Figura 8.3 vemos un gráfico cualitativo de la Distribución ρ en función de la Energía, para dos temperaturas del sólido 0 K (línea continua) y 1000 K (línea punteada): ρ T=0K

T = 1000 K o E μ EF
B B

Figura 8.3. Distribución de Energías de los electrones de un sólido, o Densidad de Energía de los electrones por unidad de volumen y por unidad deenergía. Cualquier pequeño volumen del sólido tiene las energías de sus electrones distribuidas de esta forma. De la anterior Figura vemos que para T = 0 K la máxima energía que puede tener un electrón dentro del sólido es EF, llamada Nivel de energía de Fermi, y su valor es una
B B

constante característica de cada metal. Para Temperaturas mayores la distribución está determinada por el...