1 TITULO Mesa Peltier RESUMEN Descripción y funcionamiento del prototipo didáctico. El elemento principal de este prototipo son las células Peltier, las cuales funcionan con dos caras: una que enfría y una que calienta, cada uno teniendo un semiconductor tipo negativo (N) y tipo positivo (P) respectivamente, así como dos conductores eléctricos, una cara fría que absorbe el calor y una cara caliente que cede calor. El efecto Peltier fue creado por Jean Charles Peltier, que consiste en la creación de una diferencia de temperatura debida a una diferencia de potencia. El efecto Joule es la interacción entre un fenómeno eléctrico, la conducción de corriente eléctrica, y su fenómeno térmico asociado, el calentamiento del conductor por el que circula la corriente. La materia ofrece cierta "resistencia" al movimiento de los electrones, los cuales ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques. Esta energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor. El efecto Peltier y el efecto Joule son fenómenos termoeléctricos, fenómenos presentes en el prototipo. El principio que se utilizó para la explicación del voltaje eléctrico fue tomado de la Ley de Ohm, que enuncia: "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo". Ya entendidas las leyes y efecto aplicados, se pasó al ensamblamiento del prototipo, utilizando: un ventilador, un radiador, grasa disipadora de calor, una placa de aluminio, una mesa de madera y como anteriormente lo mencionamos, las células Peltier.
2 INTRODUCCION El elemento principal de este prototipo son las células Peltier, estas fueron creadas bajo El efecto Peltier que fue creado por Jean Charles Peltier. El efecto Joule es la interacción entre un fenómeno eléctrico, la conducción de corriente eléctrica, y su fenómeno térmico asociado, el calentamiento del conductor por el que circula la corriente. La materia ofrece cierta "resistencia" al movimiento de los electrones, los cuales ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques. Esta energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor. El efecto Peltier y el efecto joule son fenómenos termoeléctricos, fenómenos presentes en el prototipo. Marco Teórico: Jean Charles Peltier (1785-1845) El efecto Peltier fue descubierto por Jean Charles Peltier, un físico francés, nacido 1785. Tal efecto, es uno de los fenómenos termoeléctricos. En 1834 descubrió que cuando circula una corriente eléctrica por un conductor formado por dos metales distintos, unidos por una soldadura, ésta se calienta o enfría según el sentido de la corriente (efecto Peltier). Dicho efecto ha revestido gran importancia en el desarrollo reciente de mecanismos de refrigeración no contaminantes.
3 Células Peltier Una célula o celda Peltier está conformada por dos materiales semiconductores uno tipo P y otro tipo N en un arreglo como el mostrado en la Figura 1, produciéndose internamente el así llamado efecto termoeléctrico de Peltier. Internamente la celda Peltier posee elementos semiconductores altamente impurificados y dispuestos eléctricamente en serie mediante conductores de cobre. Figura 1. Diagrama que muestra la estructura interna de una celda Peltier, donde se observan los elementos semiconductores dispuestos eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega entre ellos una placa de cerámica que funciona como aislante, figura 2 Figura 2. Corte transversal de la celda Peltier donde se muestran los elementos semiconductores y las aletas disipadoras.
4 Una polarización como la mostrada en la figura 3, se distribuye a lo largo de cada elemento semiconductor de la celda, es decir, cada elemento semiconductor posee una diferencia de potencial proporcional a la polarización de entrada. Por esta razón, los portadores mayoritarios, electrones débilmente ligados, emigran hacia el lado positivo de cada uno de sus extremos en los elementos semiconductores tipo N, debido a la atracción de cargas de diferente signo. Mientras que los portadores mayoritarios, huecos de los elementos semiconductores P, emigran hacia la terminal negativa que se encuentra en cada uno de sus extremos. Esta ausencia de cargas en cada elemento semiconductor cerca de la unión metal - semiconductor provoca un enrarecimiento de cargas y el consecuente descenso de temperatura en el área circundante [2], [3]. Por otro lado, la compresión o acumulación de portadores cerca de la unión metal semiconductor en la parte baja de los elementos semiconductores en la figura 3, provoca un ascenso de temperatura. Este comportamiento nos permite afirmar que si invertimos la polaridad de la fuente de alimentación, la cara fría ahora calentará y la cara caliente sufrirá un descenso de temperatura.. Figura 3. Compresión y enrarecimiento de portadores de carga cerca de la unión metal semiconductor en una celda Peltier. Hoy en día, se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua.
5 El efecto Joule Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor el movimiento de los electrones dentro del mismo produce choques con los átomos del conductor lo que hace que parte de la energía cinética de los electrones se convierta en calor, con un consiguiente aumento en la temperatura del conductor. A este fenómeno se le conoce como efecto joule. El calor generado por este efecto se puede calcular mediante la ley de joule que dice que el calor que desarrolla una corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN Diseñar una mesa que reciba y mantenga muestras de laboratorio clínico a bajas temperaturas. Aplicar de manera práctica el efecto Peltier. PROBLEMA Al comenzar con este proyecto, nos dimos a la tarea de intentar resolver, en medidas de nuestras posibilidades, un problema bastante común en los laboratorios, el mantenimiento de la sangre y/o muestras de laboratorio, así con el diseño de éste prototipo se pueden mantener en la temperatura ideal todo el tiempo además de que se puede hacer el uso de estas con mayor facilidad.
6 DESARROLLO Se soldaron los cables de ambas células Peltier (cable rojo con negro) para que circule la corriente eléctrica. Se untó la grasa disipadora de calor a ambas partes de las células Peltier y se colocó encima del radiador, justo en medio, para que así el calor que generarán con el uso las células Peltier, salgan por el ventilador y evitar un sobrecalentamiento (ver fotografías). La parte superior de las células se colocó la placa de aluminio, para que el frio que generaran las células Peltier se transfiera al aluminio. El cargador usado como fuente de poder se ajustó a 12 volts y se unió a las células Peltier., creando un circuito eléctrico completo (ver fotografías).
7 Construcción de la mesa: Se construyó una pequeña mesa de madera La madera se pintó de color negro. Con pegamento blanco se colocó el aluminio sobre la base de madera dejando un espacio para que el dispositivo Peltier tenga contacto con el aluminio. Se le hizo una segunda base por la parte de abajo, para que el dispositivo quedará fijo. En esta segunda base se le hizo con una circunferencia para que el aire expulsado por el ventilador tuviera una salida. Por último a cada placa de la mesa Peltier se le colocan unos sensores de temperatura a fin de registrar las diferencias de temperatura que experimenta tanto la placa fría como la placa caliente. Los sensores están conectados entre sí a un multi-fase en la cual se registran las temperaturas. Posteriormente estos datos son graficados con ayuda del software respectivo de dispositivos LESA.
8 RESULTADOS Una vez ensambladas todas las partes, se obtiene una mesa Peltier, es decir una mesa cuya superficie superior enfría. Este enfriamiento se verifica con los sensores Lesa y sus respectivas gráficas. Una vez que se verifica que la temperatura de la placa de aluminio disminuye, se coloca sobre la mesa un vaso de precipitado y un tubo de ensayo con un poco de agua en su interior. Tras las pruebas necesarias se comprobó que la mesa enfriaba tras unos minutos en funcionamiento. Temperatura/Placa Temperatura inicial ( C) Temperatura final ( C) Placa fría 26 23 Placa caliente 28 32 CONCLUCIONES GENERALES Este prototipo puede ser utilizado en diversos laboratorios, para mantener las muestras a temperaturas moderadamente bajas. Así mismo este dispositivo puede apoyar la enseñanza de temas sobre transferencia de calor, efecto termoeléctrico ya sea efecto Joule o efecto Peltier.
9 FUENTES DE INFORMACIÓN Giancoli Douglas C. Física. Principios con aplicaciones. México. Pearson Educación, 2007. Gispert, C. Física. Enciclopedia Autodidáctica Océano. Tomo 2. España. Grupo Editorial Océano, 1995. Pérez Montiel H. Física II. Bachillerato General. México. Grupo Patria Cultural, 2007. "Física General" de S. Burbano de Ercilla. ISBN 84-7078-376-9 Antonio Gros. Ceuta (España) WEB GRAFÍA http://www.canaletas.es/peltier.htm http://www.digital.arrakis.es/aplicac_peltier.htm http://www.geocities.com/acuariogratis/electronica/peltier.html