Actualizado a: 19 de enero de 2024
Quizás no muchos conocen un fenómeno que se da en física y que se conoce como efecto Thomson. Sin embargo, es bastante interesante para la electrónica, y tiene sus aplicaciones interesantes. Por esto aquí te lo vamos a explicar todo de una forma clara y sencilla para que sepas qué es, al igual que hicimos con la electrónica y la analogía con el agua…
¿Qué es el efecto termoeléctrico?
El efecto termoeléctrico implica la conversión entre la diferencia de temperatura y el voltaje eléctrico, y viceversa. En otras palabras, cuando hay una diferencia de temperatura en ambos lados de un dispositivo termoeléctrico, este produce un voltaje eléctrico. Por otro lado, si se aplica un voltaje eléctrico al dispositivo, crea una diferencia de temperatura, lo que se conoce como efecto Peltier.
A nivel atómico, este fenómeno se debe a la forma en que los portadores de carga, como electrones o huecos, responden a un gradiente de temperatura en un material. En presencia de este gradiente de temperatura, los portadores cargados tienden a moverse desde la región más caliente hacia la región más fría, similar a cómo un gas se expande cuando se calienta. Como resultado, se induce una corriente eléctrica debido al efecto térmico.
Este efecto tiene diversas aplicaciones, como la generación de electricidad, la medición de temperatura, el enfriamiento o calentamiento de objetos, e incluso la cocción de alimentos. La dirección del calentamiento o enfriamiento se controla mediante el signo del voltaje aplicado, lo que hace que los dispositivos termoeléctricos sean útiles para el control preciso de la temperatura.
Tipos de efectos termoeléctricos
Hay que decir que existen varios efectos termoeléctricos conocidos, como el efecto Peltier, el efecto Seebeck y el efecto Thomson. Voy a dejar este último para analizarlo más adelante con mayor detenimiento, pero para que tengas una idea de lo que son estos otros tipos, tenemos:
- Efecto Seebeck: es la generación de un voltaje eléctrico en un circuito cuando hay una diferencia de temperatura entre dos puntos de un material conductor. Fue descubierto por Thomas Johann Seebeck en 1821. El efecto Seebeck se produce cuando dos puntos de un material conductor están a diferentes temperaturas. Uno de estos puntos se calienta mientras que el otro se mantiene más frío. Cuando existe esta diferencia de temperatura, se establece un gradiente de temperatura en el material conductor. Los electrones en el material, que tienen movilidad térmica, tienden a moverse desde la región más caliente hacia la más fría debido a su energía cinética. Esto genera una acumulación de electrones en el lado más frío y una deficiencia en el lado más caliente, creando así un gradiente de carga. El gradiente de carga da lugar a un campo eléctrico interno en el material, que a su vez crea un voltaje eléctrico entre los dos puntos. Este voltaje es conocido como voltaje de Seebeck o coeficiente de Seebeck y depende del material específico utilizado. Si se conecta un circuito eléctrico externo entre los dos puntos, el voltaje de Seebeck generará una corriente eléctrica en el circuito. Esta corriente puede utilizarse para alimentar dispositivos o para medir la diferencia de temperatura entre los dos puntos. El efecto Seebeck es fundamental en la fabricación de termopares, que son dispositivos utilizados para, por ejemplo, medir temperaturas, generar energía, para aplicaciones médicas, etc.
- Efecto Peltier: nombrado en honor al físico francés Jean-Charles-Athanase Peltier, es el fenómeno inverso del efecto Seebeck. En lugar de generar voltaje eléctrico debido a una diferencia de temperatura, el efecto Peltier crea una diferencia de temperatura cuando se aplica un voltaje eléctrico a un circuito que contiene dos materiales conductores diferentes. En un circuito que consta de dos materiales conductores diferentes, se aplica un voltaje eléctrico. Cuando se aplica el voltaje, comienza a circular una corriente eléctrica a través de los materiales conductores. En el proceso, se transfiere calor desde un lado del circuito al otro. Debido a la transferencia de calor, se crea una diferencia de temperatura entre los dos materiales conductores. Uno de los lados se calienta, mientras que el otro se enfría. El efecto Peltier es la generación de calor o enfriamiento en un punto específico, dependiendo de la dirección de la corriente eléctrica. Si la corriente fluye en una dirección, se genera calor en ese punto. Si la corriente se invierte, el punto se enfría. El efecto Peltier se utiliza en dispositivos termoeléctricos como refrigeradores termoeléctricos, sistemas de enfriamiento para microprocesadores y dispositivos de control de temperatura, entre otros. Es un principio esencial en la refrigeración sin compresión y en aplicaciones donde se necesita controlar la temperatura de manera eficiente.
Es decir, como vemos, el Seebeck y el Peltier son efectos que pueden parecer inversos. Pero ¿qué es el efecto Thomson?
¿Qué es el efecto Thomson?
El efecto Thomson en honor a su descubridor, William Thomson, en 1851, fue primero teorizado y luego demostrado experimentalmente. Tiene importantes implicaciones en la industria de las computadoras y solo presenta un par de desafíos por resolver.
Este efecto se basa en un material conductor de corriente eléctrica. Cuando se hace pasar una corriente a través de este material y existe un gradiente de temperatura (es decir, una diferencia de temperatura) a lo largo de él, el efecto Thomson describe cómo ese material conductor puede calentarse o enfriarse debido al flujo de la corriente eléctrica. Esto puede parecerse a alguno de los efectos descritos anteriormente, pero hay que decir que en este caso tenemos dos tipos de efecto Thomson:
- Positivo: implica que la corriente fluye desde el extremo caliente hacia el extremo frío, es decir, se desplaza desde un punto con alto potencial eléctrico hacia otro con bajo potencial, lo que genera calor.
- Negativo: es precisamente lo contrario: hay un extremo frío y otro caliente con un potencial eléctrico más bajo, y la corriente fluye desde el punto de menor potencial hacia el de mayor potencial, lo que resulta en la absorción de calor.
Aplicaciones del efecto Thomson
El efecto Thomson tiene varias aplicaciones en diversas áreas de la ciencia y la tecnología debido a su capacidad para generar calor o frío mediante la circulación de corriente eléctrica en un material conductor con un gradiente de temperatura. A continuación, se presentan algunas de las aplicaciones más destacadas del efecto Thomson:
- Refrigeración termoeléctrica: uno de los usos más comunes del efecto Thomson es la refrigeración termoeléctrica. En dispositivos de refrigeración termoeléctrica, como refrigeradores portátiles o sistemas de enfriamiento para microprocesadores, se aprovecha el efecto para crear diferencias de temperatura controladas. Esto permite la generación de calor en un lado del dispositivo y el enfriamiento en el otro, sin necesidad de partes móviles ni refrigerantes líquidos, lo que los hace compactos y eficientes energéticamente. Los dispositivos termoeléctricos se utilizan para enfriar componentes electrónicos sensibles, como algunos dispositivos o componentes eléctricos de alta potencia.
- Calentamiento termoeléctrico: también se puede usar para lo contrario, aumentar la temperatura modificando la corriente eléctrica que circula por el material.
- Sensores de temperatura: es fundamental en sensores de temperatura muy precisos y duraderos. Se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde control de procesos industriales hasta termómetros médicos y científicos. Por tanto, pueden usarse en aplicaciones que requieren un control preciso de la temperatura, como laboratorios, incubadoras o sistemas de climatización de precisión, se emplean dispositivos termoeléctricos para mantener condiciones térmicas estables.
Como ves tiene varias aplicaciones, pero… ¿por qué no usar esto en los chips? ¿por qué no refrigerar una CPU o GPU mediante este efecto?
¿Se puede usar en los chips como la CPU o GPU?
Así como proporcionamos energía eléctrica a los ventiladores de los disipadores de calor de las CPU y GPU, podríamos pensar en potenciar el efecto Thomson negativo aplicando energía a un material como el níquel o el cobre, donde el extremo frío (cold plate) tenga un potencial eléctrico más alto. De esta manera, al colocar este material junto con un die o un IHS (Integrated Heat Spreader), podría absorber más calor del chip, como sucede cuando hablamos del efecto Peltier que sí que se usa para refrigerar algunos de estos chips.
Aunque la corriente eléctrica necesaria sería mínima, como se espera, y desde una perspectiva teórica, este sistema parecería factible, habría que evaluar la ganancia real de temperatura al implementarlo, además de evitar que se produzca tal bajada de temperatura que se corra riesgo de tener humedad por condensación que dañe la electrónica. Sin embargo, existe un factor que lo impide.
No se podría aplicar el efecto Thomson sin dañar el die. La actual escala nanométrica establece valores de impedancia, jitter y otros parámetros eléctricos extremadamente precisos para un die moderno. La implementación del efecto Thomson introduciría una corriente adicional desde el exterior que podría causar daños irreparables en el die, dejándonos con un chip inservible.
Puedes pensar que se podría hacer si se aísla el die del bloque donde se usa el efecto Thomson, por ejemplo, ponerlo en un IHS (Integrated Heat Spreader). Ha habido intentos en la industria de hacerlo a lo largo de la historia. Sin embargo, el problema radica en que los compuestos utilizados para sellar los IHS no son completamente inmunes a la corriente eléctrica, ya que suelen estar basados en una derivación del carbono. Esto significa que algunas fugas de corriente podrían alcanzar el PCB (placa de circuito impreso) con capas conductoras como el cobre, y terminar dañando al chip.
Debemos tener en cuenta que los chips modernos son altamente sensibles, incluso la electricidad estática generada por un ventilador al mover el aire hacia las aletas del disipador puede causar problemas en algunos modelos de GPU con el die expuesto. Por eso, es importante no utilizar pastas térmicas de metal líquido en tarjetas gráficas (o de alta conductividad eléctrica), ya que cualquier fuga de corriente podría dañar permanentemente el chip.
Lo mismo se aplica a las CPU que se desmontan para establecer contacto entre el die y el bloque o disipador de calor, o de los microprocesadores de hace unos años, como el AMD Athlon, el Pentium II, etc., que el encapsulado del chip estaba expuesto, sin IHS, en contacto con el disipador…
