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Cuando el calor se convierte en electricidad

En un conductor, el transporte de energía se halla vinculado al movimiento de las cargas eléctricas. A ello se debe el efecto Seebeck, por el que una diferencia de temperaturas genera una corriente eléctrica.

El efecto Peltier puede emplearse a modo de refrigerante: Atravesada por una corriente eléctrica, la junta entre dos varillas hechas de semiconductores diferentes absorbe calor, el cual es evacuado por los extremos de las varillas. [BRUNO VACARO]

Estamos en 2013, en la final de la Google Science Fair, el concurso internacional de ciencia y tecnología para jóvenes de entre 13 y 18 años. Ann Makosinski, una canadiense de 16 años, recibe un premio por haber inventado una linterna de bolsillo que se alimenta exclusivamente con el calor de la palma de la mano. El núcleo del dispositivo lo constituyen unos módulos termoeléctricos que permiten generar calor a partir de una diferencia de temperaturas; en este caso, la que existe entre la piel y el aire ambiente. ¿Cómo operan estos dispositivos?

En 1834, el físico francés Jean Charles Peltier describió un sorprendente efecto que asociaba electricidad y calor y que desde entonces lleva su nombre. Cuando una corriente eléctrica atraviesa una soldadura entre dos metales diferentes, esta absorberá o desprenderá calor en función del sentido de la corriente. En tal caso, la potencia térmica absorbida o cedida resulta ser proporcional a la intensidad de la corriente. El efecto Peltier difiere así del efecto Joule, en el que la potencia térmica disipada es proporcional al cuadrado de la intensidad.

El efecto Peltier permite construir máquinas térmicas muy fiables, sin piezas móviles ni pérdidas de fluido. Basta con montar un circuito eléctrico cerrado en el que se sucedan un hilo de un metal A, otro de un metal B, uno más del metal A y una fuente de tensión. Cuando circula la corriente, una soldadura se calienta y la otra se enfría. Sin embargo, dado que el flujo térmico es limitado, el uso de estos módulos basados en el efecto Peltier ha quedado relegado a aplicaciones muy concretas, como la refrigeración.

 

Electrones y temperatura

¿A qué se debe el efecto Peltier? En un metal, los electrones llamados «de conducción» pueden moverse con libertad, lo que hace posible que circule una corriente eléctrica. A poca temperatura, los electrones van ocupando sucesivamente todos los niveles de energía disponibles a partir del más bajo. La energía máxima alcanzada, conocida como «energía de Fermi», depende del material. Pero ¿qué ocurre cuando ponemos en contacto dos metales diferentes? Al hacerlo, los electrones pasan del metal con niveles de energía más elevados a aquel en el que estos son menores. Esa transferencia de cargas continúa hasta que los dos niveles más altos se igualan. Dicho de otro modo: uno de los materiales adquiere una carga neta positiva y el otro, negativa. De esta manera, y debido al simple contacto entre dos metales, se genera un potencial eléctrico del orden del voltio: es el efecto Volta.

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