Resumen

El efecto Peltier es un fenómeno físico el cual consiste en la recolección de múltiples resultados en base a las variables que forman a este.  Teniendo la posibilidad de obtener beneficios usando este efecto termoeléctrico como una fuente de electricidad alterna, obteniendo resultados de un factor que es constante en todos los ambientes físicos, lo cual este nos propone ventajas importantes ante algunos métodos de producción eléctrica. Por esta razón hemos seleccionado construir un objeto cotidiano tan importante como la lámpara, la cual es alimentada por el efecto termoeléctrico anteriormente mencionado para ejemplificar las posibilidades que tiene este al implementarlo en parte de nuestra vida diaria. Para poder construir la lámpara Peltier fue necesario conocer las especificaciones del efecto Peltier y los materiales que fueron requeridos para obtener resultados suficientemente positivos para denominar al efecto Peltier como método de obtención eléctrica sustentable en un futuro a pesar de tener deficiencias. Una vez construida la estructura de la lámpara fue necesario implementar ciertos cambios debido a los requisitos de temperaturas y consumo de electricidad, principalmente los leds y las celdas Peltier  utilizamos al principio de la fase experimental debido a que estos requerían condiciones más específicas en cuanto a la electricidad y a las temperaturas de lo que el sistema construido es capaz de mantener en funcionamiento óptico. Después de tres pruebas logramos obtener resultados verídicos, los cuales son suficientes para respaldar a los objetivos principales los cuales son lograr satisfacer una necesidad, en este caso una herramienta que logra iluminar.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

En la actualidad la especie humana tiene un problema que consiste en los métodos usados para generar le energía eléctrica, debido a que en los métodos son ineficaces y requieren una cantidad exponencial de materia prima para su transformación, generando cada vez más años al medio ambiente, además del crecimiento de la democracia. Son requeridos más métodos eficaces de manera que no comprometan el desarrollo sustentable de la población, siendo las alternativas existentes demasiado ineficaces, no rentables y con escases de repuestos y mano factura siendo así un porcentaje mínimo de la población y gobiernos que cuentan con la posibilidad de usar energía limpia en sus sistemas eléctricos.

Siendo así una complicación y comprometimiento del desarrollo debido a que existe un des balance entre la ecología y la economía, ya que lamentablemente las circunstancias complican el desarrollo humano. Deteriorando el medio ambiente teniendo un desarrollo demasiado ineficaz por este mismo generara una im-productividad por parte de los países más productivos o mega economías provocando guerras y conflictos por los recursos naturales para sostener el sistema.

Antecedentes

Historia.

En 1834 es cuando el físico francés Jean Charles Peltier descubrió este efecto termoeléctrico, en el curso de sus investigaciones sobre la electricidad. Este interesante fenómeno se mantuvo reducido a algunas pequeñas aplicaciones hasta ahora, época en que se comienza a utilizar sus posibilidades con más frecuencia.

El efecto Peltier consiste en hacer pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso al Seebeck (efecto termoeléctrico). En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 10º C aproximadamente., mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C.

Lo que lo hace aún más interesantes es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba calor empieza a generar frío.

Gracias a los inmensos avances en el campo de semiconductores, 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

Como todo en esta vida, las unidades Peltier también tienen algunos inconvenientes a tener en cuenta. Como el alto consumo eléctrico, o que dependiendo de la temperatura y la humedad puede producirse condensación y en determinadas condiciones incluso puede formarse hielo.

Aprovechamiento.

El fenómeno se aprovecha con más auge a través de las llamadas células Peltier: Alimentando una de estas células PELTIER, se establece una diferencia de temperatura entre las dos caras de la célula PELTIER, esta diferencia depende de la temperatura ambiente donde este situada la célula PELTIER, y del cuerpo que queramos enfriar o calentar. Su uso más bien es para enfriar, ya que para calentar existen las resistencias eléctricas, que son mucho más eficientes en este cometido que las células Peltier, estas son mucho más eficaces refrigerando, ya que su reducido tamaño, las hace ideales para sustituir costosos y voluminosos equipos de refrigeración asistida por gas o agua.

Células Peltier.

Las aplicaciones prácticas de estas células son infinitas. La lista podría ser interminable, ya que son muchas las aplicaciones en que es necesario utilizar el frío y al mismo tiempo, el calor. Si observamos la figura, podemos ver que se compone, prácticamente, de dos materiales semiconductores, uno con canal N y otro con canal P, unidos entre sí por una lámina de cobre.

Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en el lado del material P la polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superior enfría, mientras que la inferior calienta. Si en esta misma célula, se invierte la polaridad de alimentación, es decir, se aplica en el lado del material N la polaridad negativa y en el lado del material P la positiva, se invierte la función de calor / frío: la parte superior calienta y la inferior enfría.

Físicamente los elementos de un módulo Peltier son bloques de 1 mm3 conectado eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo (ver figura).

Los módulos Peltier también funcionan mejor o peor en función de la alimentación que requieran, ya que no todos funcionan con la misma tensión ni corriente. Por consiguiente, cada tipo de módulo se alimenta con la tensión indicada por el fabricante, para evitar que se inutilice en un plazo breve.

Si tenemos en cuenta sus reducidas dimensiones, unos milímetros escasos, una sola célula puede alcanzar, como máximo una potencia frigorífica de 0,5 watts.

Es decir, que para conseguir potencias frigoríficas de 15 a 20 watts, hay que realizar baterías formadas, como mínimo por 30 o 40 células. De hecho, al aumentar el número de células, aumenta la superficie irradiante y, por lo tanto, la potencia refrigerante. En resumen, que tanto la dimensión como la potencia calorífica obtenida dependen del número de elementos utilizados por módulo.

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.

Estos materiales, que generan electricidad a partir de cambios de temperatura, cuentan con aplicaciones que permiten un mayor aprovechamiento de los recursos energéticos…

Efecto Termoeléctrico

En lugares cálidos los materiales termoeléctricos se emplean como medio para refrigerar los asientos…

En lugares cálidos los materiales termoeléctricos se emplean como medio para refrigerar los asientos…

Los dispositivos termoeléctricos se basan en el hecho de que cuando ciertos materiales son calentados, generan un voltaje eléctrico significativo. Por el contrario, cuando se les aplica un voltaje, se vuelven más calientes en un lado, y más fríos en el otro. Los electrones se mueven del extremo caliente del material al extremo frío, creando electrodos positivos y negativos y con ello el voltaje eléctrico.

Este efecto, conocido como Peltier–Seebeck, es reversible. Esto no se produce en todos los materiales ya que, por ejemplo, el filamento de las bombillas incandescentes produce calor al aplicarle una diferencia de voltaje (efecto Joule), pero no es un efecto reversible.

Materiales Termoeléctricos

El proceso de termoelectricidad sólo ocurre en ciertos materiales, especialmente bien en los semiconductores (los materiales con los que se fabrican los chips). El problema fundamental para crear materiales termoeléctricos eficientes es que necesitan ser muy buenos transmitiendo la electricidad, pero no el calor.

Actualmente, los materiales termoeléctricos tienen un bajo rendimiento energético, sólo un 6 por ciento. Una nueva generación de materiales, en lo que se añade antimonio y plomo al semiconductor de teluro de plomo, produce un material termoeléctrico que es más eficiente en las altas temperaturas que los materiales existentes, alcanzando el 14 por ciento de eficiencia. La meta a largo plazo es alcanzar el 20 por ciento de eficiencia.

Demostración sencilla del efecto Seebeck…

La clave para hacerlos más prácticos ha sido crear materiales semiconductores especiales en los cuales se crearon diminutos patrones para alterar el comportamiento de los materiales. Esto puede incluir la incorporación de nano partículas o nano cables en una matriz de otro material. Estas estructuras nano métricas interfieren con el flujo de calor pero permiten a la electricidad fluir libremente.

Aplicaciones

La tecnología termoeléctrica actual sólo se usa en campos muy especializados, como la refrigeración de estado sólido, porque los materiales no son muy eficientes. Un ejemplo es el enfriamiento de asientos de automóviles en climas cálidos. Los dispositivos, similares a los calentadores de asientos, proporcionan confort directamente al individuo, en vez de enfriar el automóvil entero, ahorrando costos de climatización y de energía. Otra aplicación curiosa son las botas que emplean la termoelectricidad generada por el calor de los pies para cargar el teléfono móvil.

Los motores de combustión interna actuales sólo aprovechan un 25% de la energía liberada en la combustión. Las células fotovoltaicas tienen un rendimiento máximo de un 15%. Sin embargo, los nuevos materiales permiten ahorros substanciales de energía al poderse fabricar motores más eficientes. Las nuevas células fotovoltaicas híbridas permiten generar energía eléctrica y térmica simultáneamente. Los dispositivos electrónicos también aprovechar el calor radiado en termoelectricidad.

Otro de los usos de estos nuevos materiales podría ser en la conversión del calor desechado de los reactores nucleares, en el enfriamiento de los productos obtenidos de los altos hornos o en la extracción de crudo de las plataformas petrolíferas. A su vez, la compañía Fujitsu ha desarrollado un dispositivo híbrido capaz de generar electricidad utilizando dos fuentes de energía natural simultáneamente: luz y calor. Esta nueva generación de dispositivos hará posible mantener la producción de energía a todas horas, reemplazando una fuente cuando la otra no esté disponible.

Historia de la lámpara

La historia de la lamparita empieza hace casi doscientos años, cuando Davy, químico inglés, hizo aparecer por primera vez, ante los atónitos miembros de la Royal Institution de Londres, un brillante hilo luminoso, entre dos electrodos formados por varillas de carbón de leña y unidos a dos polos de una enorme pila eléctrica. Desgraciadamente, este “arco voltaico”, que fue llamado “huevo eléctrico de Davy”, no se prestaba para usos prácticos, porque los carbones no producían una luz estable.

Sólo después de 1840, gracias a la invención de un nuevo tipo de pila, hecha por Daniel y Bunsen, que suministraba una corriente más intensa y duradera, el problema relativo a la iluminación eléctrica pudo ser afrontado con seriedad y gradualmente resuelto. Se debe al francés Foucault el primer gran paso adelante. Sustituyendo el carbón de leña por el que se forma en las retortas durante la producción de gas de alumbrado, llegó a preparar dos auténticos aparatos de iluminación que permitieron a una cuadrilla de obreros trabajar durante una noche entera en la construcción del Palacio de la Industria (Exposición de París de 1855). Veintitrés años después, siempre en París, se llevaba a cabo, con éxito, la primera tentativa de iluminación pública en la Plaza de la Ópera.

LA LAMPARITA DE EDISON: Durante el siglo XIX se mantuvo la iluminación a gas, con su luz suave y agradable, pero el mundo estaba ya preparado para el aprovechamiento de la energía eléctrica en este campo. Un grupo de financistas e industriales norteamericanos se dirigió a Edison, inventor del fonógrafo, y ya conocido como el “Mago de Menlo Park”, para que hiciese el milagro. Edison tuvo una idea feliz; volver incandescente un filamento de carbón en una ampolla de vidrio en la que se haría previamente el vacío perfecto; pero la realización de esta idea le costó muchos años de estudio y de minucioso y perseverante trabajo.

Los experimentos iniciados por él en 1870, sólo concluyeron en 1882. Los neoyorquinos, entusiasmados con el nuevo prodigio de Edison, “mandaron a descansar” los viejos fanales de gas y el familiar farol. En realidad, la lamparita de Edison ya había tenido su bautismo de luz en la exposición universal de París de 1881. En la ampolla, la incandescencia luminosa era obtenida mediante filamentos carbonizados de fibras de bambú del Japón, y tenía la virtud de asegurar una luz constante durante centenares de horas. Desde este momento, el problema fue solamente perfeccionar el nuevo sistema de instalación eléctrica. Una vez establecido el hecho de que las “radiaciones visibles producidas por un cuerpo incandescente aumentan con el aumento de la temperatura”, se comprendió rápidamente que el efecto luminoso sería tanto más sensible cuanto más se pudiese “elevar la temperatura del filamento e impedir la dispersión del calor”.

LA LAMPARITA DE FILAMENTO METÁLICO: A partir de 1890, las fábricas se sirvieron de sutilísimos hilos de metal, con una temperatura dé fusión mucho más alta. Fueron sucesivamente experimentados el osmio, el tantalio, y, en 1906, el tungsteno, que es  hoy considerado el mejor porque, además de ser resistente, es también un óptimo conductor de la electricidad. Para obtener filamentos de muy pequeño diámetro, fue usada primero una mezcla de polvo de tungsteno y sustancias adhesivas. Desde 1911, como consecuencia del progreso de los procedimientos industriales, se consiguió trefilar el tungsteno y aumentó la duración del filamento. Además se cambió la disposición del filamento mismo en la ampolla. De esta manera, su poder de absorción fue reducido a un vatio por bujía; de ahí el nombre de “mono vatio” dado a este tipo de lámpara.

LA LÁMPARA DE MEDIO VATIO: Otro paso adelante fue dado, en 1913, con un nuevo procedimiento. Para aumentar la temperatura del filamento, y para frenar la dispersión de calor, se tuvo la idea de rellenar las ampollas, en las que se había hecho el vacío, con un gas inerte que no diese lugar a alteraciones químicas. Se obtuvo así el aumento de temperatura deseado, pero fue más difícil limitar la fuga de calorías. El físico Langmuir comprendió que de esto dependía la disposición del filamento dentro de la ampolla, y demostró que se podía alcanzar una dispersión mínima de calor arrollando el filamento en hélice sobre sí mismo.

Así perfeccionadas, las lamparitas con filamento en hélice fueron llamadas de “medio vatio”, pues se calculó haber llegado a crear el tipo en el cual la potencia de absorción de la corriente era reducida a la “mitad de un vatio por bujía”. Pero el triunfo más resonante fue que, con la nueva fórmula, se llegó a retardar notablemente la disgregación del filamento, logrando una duración mayor de la lamparita.

FABRICACIÓN, METALURGIA DEL TUNGSTENO: Si las vidrierías han resuelto fácilmente el problema del vidrio adecuado para la fabricación de ampollas (o bulbos) para lámparas, la fabricación del filamento es, en cambio, extremadamente delicada. Debido a que el metal, para ser utilizado eficazmente, no debe fundirse, se le extrae del “wolframio” mediante complicados procesos químicos.

El tungsteno, que se obtiene bajo forma de “óxido” del tungsteno puro, es mezclado primeramente a pequeñas cantidades de sustancias capaces de mejorar sus propiedades, siendo luego pasado a hornos especiales en atmósfera de hidrógeno (para evitar la oxidación) de estos hornos sale bajo forma de un tenue polvo gris.

Este polvo es prensado dentro de moldes a presión, y los panes que resultan son colocados en otros hornos (también de atmósfera hidrogenada), en los cuales adquieren la solidez necesaria. Por medio de una fuerte corriente eléctrica, estos panes son llevados a una temperatura próxima a la de fusión, sin alcanzarla; son forjados luego por un martinete, a alta temperatura, hasta obtenerse hilos finísimos. Estos hilos pasan a la “trefilación”, pero antes de ser confiados a las hileras (que son de tungsteno o de diamante, según el diámetro que se quiere conseguir), se los somete de nuevo a alta temperatura.

Finalmente, pulido y libre de todo resto de grafito, el delgado filamento que se obtiene está listo para ser arrollado en hélice. El tungsteno es arrollado, por medio de máquinas de gran velocidad, alrededor de un soporte de acero o molibdeno. Siendo imposible desenrollar la espiral del soporte sin provocar la rotura del filamento, es necesario “disolver” el soporte mismo con un ácido que no ataque al tungsteno.

En 1835, el escocés James Bowman Lindsay fabrica el primer bulbo  experimental. Seguía sin funcionar y más de una docena de científicos lo intentaron hasta que en enero de 1879, el inglés Joseph Swan hace la primera demostración de un bulbo incandescente que no se apaga en Sunderland. Inglaterra.

Ese mismo año, en octubre, Thomas Edison que llevaba meses trabajando en el mismo invento, consigue el mismo resultado con el modelo N°9. Edison tenía más recursos, y al año siguiente puso a la venta las primeras bombillas. El truco estaba en encontrar el filamento adecuado, y hacer el vacío dentro del bulbo de vidrio.

MONTAJE DEL PIE DE LA LÁMPARA: Una parte esencial de la ampolla de las lamparitas está constituida por el pie, el cual se compone de:

1. a) un borde entrante de vidrio, destinado a ser soldado al cuello de la lamparita;
2. b) un pequeño tubo de vidrio que sirve primero para producir el vacío y después para el rellena miento con gas;
3. c) un bastoncillo de vidrio al que se aplican los soportes para el filamento:
4. d) los hilos que traen la corriente de alimentación.

Todo, esto es sujetado sólidamente por un aplanamiento parcial de las extremidades del borde entrante y por ‘la estrangulación del tubito de vidrio. Para obtener esta estrangulación, se ablanda el vidrio exponiéndolo a la llama, y, antes de que se endurece, un chorro de aire frío es dirigido a través de la extremidad inferior del tubito para provocar en la estrangulación misma un orificio mediante el cual el interior de la ampolla se comunica con el exterior. Los hilos conductores, fijados sólidamente dentro del pie, por medio de la estrangulación, están por lo general constituidos por tres partes distintas soldadas eléctricamente entre sí.

El pie es montado totalmente con máquinas que sueldan después en forma automática la parte superior del bastoncillo para formar un botón, sobre el cual la máquina misma fija los ganchos de sostén o apoyo. Cada uno de estos minúsculos ganchos termina en una pequeñísima “colita de cerdo” destinada a retener el filamento.

También el montaje del filamento es mecánico. Éste es fijado primeramente a la extremidad de los hilos que traen la corriente de alimentación, y aquí un dispositivo de precisión anuda los filamentos a los ganchos. El pie queda unido a la ampolla mediante la soldadura del borde entrante, hecha con la llama de un soplete de gas.

La lamparita es, al mismo tiempo, bañada por un potente chorro de aire que arrastra la parte superflua del cuello del bulbo, que sobresale del punto de soldadura. De aquí, la lámpara es transportada por cadena hacia la máquina que produce el vacío. La misma máquina, calentando la ampolla, procede a la extracción del aire y al rellena miento con gas (generalmente formado por una mezcla de nitrógeno-argán-criptón).

Inmediatamente después del llenado, el tubito de vidrio, que ha servido para esta operación, es cerrado mediante estrangulamiento a la llama. La fabricación de la lamparita propiamente dicha, se da así por terminada. Ahora no falta más que unirla al casquillo, operación que se hace en caliente mediante resinas especiales. Existe una enorme variedad de lámparas incandescentes para cuya realización fueron necesarios años de estudio, de pacientes búsquedas y de pruebas de laboratorio.

Es útil aquí recordar que, además de las diversas lamparitas que todos conocemos, desde la pequeñísima para linterna de bolsillo hasta la grande para iluminación de calles, existen lámparas “incandescentes” destinadas a usos especiales. Estas lámparas difieren de las comunes por la disposición interna del filamento y por otros requisitos de aislamiento y sistemas de montaje, relacionadas con la carga de corriente que deben absorber.

Se trata de lámparas con muy potente emisión de luz, necesarias para la fotografía, rodajes cinematográficos, proyecciones, etc. En cuanto a las lámparas fluorescentes, tan de actualidad en nuestra época, poseen, en lugar de filamento, una gruesa espiral. Tampoco debe olvidarse las lámparas térmicas que, iguales en todo a las lámparas de uso común, son hoy usadas con enormes ventajas tanto en la industria como en la terapéutica.

Por aquella época el problema consistía en encontrar una materia más fuerte y preservando mayor resistencia al paso de la corriente que el filamento de carbón. Se veía de modo claro era necesario buscar un metal, y todos los que se ocupaban de estos trabajos comenzaron a estudiar metales raros, con la misma tenacidad que lo habrían hecho antes al ensayar las tierras de esta clase. Un investigador llamado Auer fue el primero que fabricó la lámpara de osmio, puesta a la venta en 1904.

El osmio es un metal que se encuentra entre los minerales de platino, y cuando se quema al aire se combina con el oxígeno, produciendo un vapor cáustico, peligroso. En el vacío del globo de cristal de la lámpara eléctrica no hay oxígeno que pueda actuar sobre él, y el filamento construido con este metal hizo bajar el coste de la luz a muy cerca de la mitad.

Pero—tales son las vicisitudes en las invenciones modernas—-un año después se presentó en el mercado otra nueva lámpara eléctrica con filamento de tántalo. Inventada por Werner von Bolton, esta lámpara daba un quinto más de intensidad que su rival, pero poco después, en 1905, se descubrió otro filamento de metal raro aún más eficaz.

Entre los escombros de algunas minas, había una substancia muy pesada, de color gris acerado, a la que no se encontraba ninguna aplicación. Los suecos la dieron el nombre de «tungsteno», que significa «piedra pesada».  Ahora bien: este material que, aparentemente, no tenía utilidad alguna, es hoy uno de los metales más importantes y necesarios.

Unido con el acero, forma el empleado en las máquinas-herramientas para preparar los titiles con el corte resistente preciso para los mecanismos que marchan a gran velocidad—tornos, taladros, perforadoras, acepilladoras y tantos otros, y que han revolucionado la industria metalúrgica. Ahora el tungsteno está camino de ser el principal manantial de luz. En el mundo. Al principio, ha habido una gran lucha entre la lámpara de tungsteno y la de tántalo. Este metal pasaba por ser uno de los más duros de los conocidos, y en sus primeros ensayos, von Bolton encontró imposible taladrar una chapa de tántalo de 1,016 milímetros. Pero refinando el metal en el arco eléctrico, y reduciendo algo su dureza, fue posible estirarle hasta conseguir alambres muy finos, y laminarle para formar hojas de pequeñísimo espesor.

Por este medio, von Bolton pudo obtener un alambre estirado para servir de filamento. La lámpara de tántalo no sólo daba Un rendimiento algo mayor del doble comparada con la de carbón, sino que también, lo que era importantísimo en la práctica, su duración era mucho mayor. Como, por otro lado, se acababan de descubrir ricas minas de tántalo en Australia, la nueva lámpara prometía ser tan económica como la ordinaria.

El tungsteno produce aún mejor luz que el tántalo, y, además, su rendimiento es una mitad mayor. La unidad de energía eléctrica produce una vez y media más intensidad con el tungsteno que con el tántalo, pero se presentaba la dificultad de que el nuevo metal era tan excesivamente duro, que no se podía estirar para convertirlo en alambre, por los medios usuales. Si se disolvía y obtenía el filamento por precipitación, era éste tan quebradizo, que la lámpara resultaba muy frágil y no se podía transportar a grandes distancias, y aun colocada en las casas, duraba muy poco. Pero, al fin, el tungsteno pudo estirarse, y con él se fabrican lámparas muy resistentes, dando clara e intensa iluminación. Produce una luz blanquísima, y es tres veces más económica que la lámpara ordinaria. Gracias a ella, el alumbrado eléctrico ha llegado al mayor grado de perfección.

Ahora lo que se precisa es encontrar metal abundante y mejorar los métodos de fabricación, para poder vender la lámpara que aparece en el mercado a un precio menor. Por de pronto, se ha encontrado tungsteno en grandes cantidades en muchas partes del mundo.

CRONOLOGÍA HISTÓRICA

• l802 — El británico Humphry Davy hace la primera demostración de iluminación poniendo incandescente un hilo de platino sometido al paso de una corriente eléctrica.
• 1807 — Davis hace una nueva demostración; esta vez del arco eléctrico entre dos electrodos de carbono.
• 1835 — El escocés James Bowman Lindsay fabrica el primer bulbo de luz experimental.
• 1841 — Primera demostración de luz eléctrica en la Plaza de la Concordia de París con el sistema de arco eléctrico.
• 1854 — El inventor alemán Heinrich Goebel desarrolla el primer bulbo de luz moderno, en una ampolla con un filamento de bambú carbonizado en la que se ha hecho el vacío. Pero no patenta el invento y los americanos se apuntan el tanto. Goebel denunció a Edison, pero el juez le dio la razón al americano.
• 1860 — El británico Joseph Swan patenta el primer bulbo incandescente, es decir, la primera bombilla experimental.
• 1879 — En enero, Joseph Swan muestra al mundo la primera bombilla de hilo incandescente. En octubre, Edison hace lo mismo.
• 1901 — La empresa inglesa Cooper Hewitt Cop. Produce la primera lámpara de vapor de mercurio.
• 1910 — El francés George Claude fabrica el primer tubo de neón.
• 1933 — El americano George Elmer fabrica el primer tubo fluorescente de la historia

Objetivo

 Construir una lámpara que genere energía lumínica adoptando el efecto Peltier.

Justificación

El Efecto Peltier fue descubierto en el año 1834 por el físico francés jean charles Peltier como un fenómeno de la termoelectricidad. Por lo consiguiente el fenómeno anteriormente mencionado permite que el dispositivo donde se desarrolla tenga múltiples reacciones en sus semiconductores en cuanto los factores de la temperatura y electricidad, teniendo una variable del efecto Peltier dependiendo de los factores que se le expone.

Con base a la información previa, y tomando en consideración los posibles resultados del fenómeno físico y sus múltiples productos o resultados, podemos considerar que se puede complacer una necesidades de la civilización humana potencial como una alternativa más a la producción de electricidad en este caso adaptándolo a un sistema que produce como resultado energía lumínica, lograremos complementar la eficacia que esta herramienta ha brindado. Teniendo en consideración el ahorro de fondos en baterías y ahorrando al medio ambiente en mayor porcentaje las consecuencias de tener los desechos tóxicos de las baterías alcalinas y recargables después de su vida útil. Además de tener la misma capacidad de iluminar.

Hipótesis

Si logramos construir una lámpara que utiliza el efecto Peltier como una fuente de energía, por lo tanto tendremos una alternativa al sistema de iluminación convencional.

Método (materiales y procedimiento)

Lista de materiales

• 6 celdas Peltier
• 12 disipadores de temperatura
• 6 placas de plástico con grosor de 3mm y 12×12 cm
• 6 leds de luz blanca con gasto eléctrico de 3.7v
• 12 ligas
• 1 circulo de papel cascaron con radio de 6cm
• 10 cm cable rojo
• 10cm cable negro

Herramientas          

• 1 lápiz
• 1 compás de precisión
• 1 regla
• 1 cautín
• Soldadura
• Pasta para soldadura
• Pistola de silicón con 3 recargas de silicón
• Cinta de aislar

Procedimiento

1. Aplicamos pasta térmica a ambos lados de la celda Peltier, completando este proceso con las 6 celdas Peltier

2. Fijamos un disipador de temperatura a cada lado de la celda completando este proceso con las 6 celdas Peltier

3. Fijamos todo el conjunto (celda Peltier, disipadores de temperatura) con 2 ligas distribuidas a las aletas de cada extremo.

4. Cortamos un orificio rectangular con dimensiones de 4×4.2 cm en el centro de cada placa de plástico

5. Con la pistola de silicón aplicamos silicón alrededor de los bordes del orificio previamente realizaos, posteriormente montamos todo el conjunto, procurando que la celda Peltier se distinga en el lado interior de lo que será la lámpara

6. Retiramos el excedente de silicón

7. Soldamos los cables de todas las celdas Peltier en forma de circuito de serie

8. Conectamos y soldamos el circuito de serie al aumentador de corriente

9. Cortamos un orificio rectangular de 2x3cm

10. Soldamos los cables del circuito en serie al cable al cable que se conecta a la corriente directa, posteriormente este lo conectamos a un interruptor

11. Posicionamos el interruptor en el orificio anteriormente efectuado y lo sellamos con silicón y retiramos el excedente de silicón.

12. Trazamos los orificios en los que se colocaran todos los leds en el círculo de papel cascaron

13. Unimos con la pistola de silicón cada placa con silicón, tratando de no arruinar el interior de la lámpara.

Galería Método

Resultados

Como producto final obtuvimos una lámpara que funciona mediante la termoelectricidad, obteniendo una eficacia del 10% al 20% sin considerar las variaciones de la temperatura del agua.

llegando a producir el sistema Peltier de 8-13 voltios teniendo como problema principal la relación de la temperatura y tiempo debido a que el modelo utilizado tiene un periodo de tiempo corto para tener un funcionamiento estable y un periodo largo de tiempo para refrigerarse, lo cual impone un rendimiento menor al de las expectativas.

Galería Resultados

Discusión

Las principales diferencias que podemos observar en nuestro prototipo a comparación de las lámparas convencionales son el tiempo de uso, tensión e intensidad que el sistema interno es capaz de proveer.

La mayoridad los materiales indispensables no son suficientemente accesibles debido a su escaso uso en el mercado.

Conclusiones

Tomando en cuenta que la fase de nuestro proyecto proporcionan resultados como un prototipo, el cual tiene la capacidad de generar luz y electricidad al mismo tiempo, sin embargo nuestro prototipo tiene 2 amplias desventajas en contra de la competencia actual tal cual son:

El sobrecalentamiento, el cual induce completamente al sistema  interno a un paro total de la producción eléctrica, llegando a necesitar mínimo 30 minutos para que vuelva a refrigerarse y reanudar las funciones del sistema.

Bibliografía

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egms. (2015). materiales termoeléctricos. 12 de diciembre del 2016, de egmrs. Sitio web: http://www.egmrs.org/EJS/PDF/vo271/1.pdf

Solo ciencia. (2014). Materiales termoeléctricos, cruciales para el ahorro de energía. 20 de diciembre del 2016, de solo ciencia Sitio web: http://www.solociencia.com/quimica/07123103.atm

Amazings. (2008). Prometedor Material Termoeléctrico Para Ahorrar Combustible. 20 de diciembre del 2016, de noticias del espacio Sitio web: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/121108e.html

Summary

The Peltier effect is a physical phenomenon which consists of the collection of multiple results based on variables within this.

Having the possibility of obtaining benefits using this thermoelectric effect as a source of AC electricity, a factor that is consistent in all physical environments obtaining results which offers important advantages to some methods of electricity production.

For this reason we have selected to build an everyday object as important as a lamp, which is fed by the aforementioned thermoelectric effect to illustrate the possibilities that it has to be implemented into a part of our daily life.

In order to build the lamp Peltier, it was necessary to know the specifications of the Peltier effect and the materials that were required to obtain enough positive results to the Peltier effect as a sustainable electric method in the future despite having shortcomings.

Once built the lamp structure, it was necessary to implement certain changes due to the requirements of temperature and electricity consumption, mainly the leds and the Peltier cells used at the beginning of the pilot phase since they required more specific conditions regarding electricity and temperatures than the built system is capable of maintaining in optical performance.

After three tests we achieved true results, which are sufficient to support the main objectives which are achieved to satisfy a need, in this case a tool that manages to illuminate.

Research Question

Problem approach

Currently the human beings have a problem which consists on the methods used to generate electricity, because these are ineffective and require an exponential amount of raw material to its transformation. There are required most effective methods which do not compromise the sustainable development of the population, since the current ones are being too inefficient, not profitable, with shortages of spare parts and manufacturing, so a minimum percentage of the population and governments have the possibility of using clean energy in their electrical systems becoming into a complication and compromising their sustainable development because there is an imbalance between the ecology and the economy, since unfortunately the circumstances complicate the human development. In this way the environment will result in a deterioration having a slow and ineffective development. For the same reason there will be a reduction in the production within developed countries causing an economic slowdown which could lead to global wars for natural resources to maintain the system.

Background

Historia.

En 1834 es cuando el físico francés Jean Charles Peltier descubrió este efecto termoeléctrico, en el curso de sus investigaciones sobre la electricidad. Este interesante fenómeno se mantuvo reducido a algunas pequeñas aplicaciones hasta ahora, época en que se comienza a utilizar sus posibilidades con más frecuencia.

El efecto Peltier consiste en hacer pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso al Seebeck (efecto termoeléctrico). En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 10º C aproximadamente., mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C.

Lo que lo hace aún más interesantes es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba calor empieza a generar frío.

Gracias a los inmensos avances en el campo de semiconductores, 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

Como todo en esta vida, las unidades Peltier también tienen algunos inconvenientes a tener en cuenta. Como el alto consumo eléctrico, o que dependiendo de la temperatura y la humedad puede producirse condensación y en determinadas condiciones incluso puede formarse hielo.

Aprovechamiento.

El fenómeno se aprovecha con más auge a través de las llamadas células Peltier: Alimentando una de estas células PELTIER, se establece una diferencia de temperatura entre las dos caras de la célula PELTIER, esta diferencia depende de la temperatura ambiente donde este situada la célula PELTIER, y del cuerpo que queramos enfriar o calentar. Su uso más bien es para enfriar, ya que para calentar existen las resistencias eléctricas, que son mucho más eficientes en este cometido que las células Peltier, estas son mucho más eficaces refrigerando, ya que su reducido tamaño, las hace ideales para sustituir costosos y voluminosos equipos de refrigeración asistida por gas o agua.

Células Peltier.

Las aplicaciones prácticas de estas células son infinitas. La lista podría ser interminable, ya que son muchas las aplicaciones en que es necesario utilizar el frío y al mismo tiempo, el calor. Si observamos la figura, podemos ver que se compone, prácticamente, de dos materiales semiconductores, uno con canal N y otro con canal P, unidos entre sí por una lámina de cobre.

Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en el lado del material P la polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superior enfría, mientras que la inferior calienta. Si en esta misma célula, se invierte la polaridad de alimentación, es decir, se aplica en el lado del material N la polaridad negativa y en el lado del material P la positiva, se invierte la función de calor / frío: la parte superior calienta y la inferior enfría.

Físicamente los elementos de un módulo Peltier son bloques de 1 mm3 conectado eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo (ver figura).

Los módulos Peltier también funcionan mejor o peor en función de la alimentación que requieran, ya que no todos funcionan con la misma tensión ni corriente. Por consiguiente, cada tipo de módulo se alimenta con la tensión indicada por el fabricante, para evitar que se inutilice en un plazo breve.

Si tenemos en cuenta sus reducidas dimensiones, unos milímetros escasos, una sola célula puede alcanzar, como máximo una potencia frigorífica de 0,5 watts.

Es decir, que para conseguir potencias frigoríficas de 15 a 20 watts, hay que realizar baterías formadas, como mínimo por 30 o 40 células. De hecho, al aumentar el número de células, aumenta la superficie irradiante y, por lo tanto, la potencia refrigerante. En resumen, que tanto la dimensión como la potencia calorífica obtenida dependen del número de elementos utilizados por módulo.

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.

Estos materiales, que generan electricidad a partir de cambios de temperatura, cuentan con aplicaciones que permiten un mayor aprovechamiento de los recursos energéticos…

Efecto Termoeléctrico

En lugares cálidos los materiales termoeléctricos se emplean como medio para refrigerar los asientos…

En lugares cálidos los materiales termoeléctricos se emplean como medio para refrigerar los asientos…

Los dispositivos termoeléctricos se basan en el hecho de que cuando ciertos materiales son calentados, generan un voltaje eléctrico significativo. Por el contrario, cuando se les aplica un voltaje, se vuelven más calientes en un lado, y más fríos en el otro. Los electrones se mueven del extremo caliente del material al extremo frío, creando electrodos positivos y negativos y con ello el voltaje eléctrico.

Este efecto, conocido como Peltier–Seebeck, es reversible. Esto no se produce en todos los materiales ya que, por ejemplo, el filamento de las bombillas incandescentes produce calor al aplicarle una diferencia de voltaje (efecto Joule), pero no es un efecto reversible.

Materiales Termoeléctricos

El proceso de termoelectricidad sólo ocurre en ciertos materiales, especialmente bien en los semiconductores (los materiales con los que se fabrican los chips). El problema fundamental para crear materiales termoeléctricos eficientes es que necesitan ser muy buenos transmitiendo la electricidad, pero no el calor.

Actualmente, los materiales termoeléctricos tienen un bajo rendimiento energético, sólo un 6 por ciento. Una nueva generación de materiales, en lo que se añade antimonio y plomo al semiconductor de teluro de plomo, produce un material termoeléctrico que es más eficiente en las altas temperaturas que los materiales existentes, alcanzando el 14 por ciento de eficiencia. La meta a largo plazo es alcanzar el 20 por ciento de eficiencia.

Demostración sencilla del efecto Seebeck…

La clave para hacerlos más prácticos ha sido crear materiales semiconductores especiales en los cuales se crearon diminutos patrones para alterar el comportamiento de los materiales. Esto puede incluir la incorporación de nano partículas o nano cables en una matriz de otro material. Estas estructuras nano métricas interfieren con el flujo de calor pero permiten a la electricidad fluir libremente.

Aplicaciones

La tecnología termoeléctrica actual sólo se usa en campos muy especializados, como la refrigeración de estado sólido, porque los materiales no son muy eficientes. Un ejemplo es el enfriamiento de asientos de automóviles en climas cálidos. Los dispositivos, similares a los calentadores de asientos, proporcionan confort directamente al individuo, en vez de enfriar el automóvil entero, ahorrando costos de climatización y de energía. Otra aplicación curiosa son las botas que emplean la termoelectricidad generada por el calor de los pies para cargar el teléfono móvil.

Los motores de combustión interna actuales sólo aprovechan un 25% de la energía liberada en la combustión. Las células fotovoltaicas tienen un rendimiento máximo de un 15%. Sin embargo, los nuevos materiales permiten ahorros substanciales de energía al poderse fabricar motores más eficientes. Las nuevas células fotovoltaicas híbridas permiten generar energía eléctrica y térmica simultáneamente. Los dispositivos electrónicos también aprovechar el calor radiado en termoelectricidad.

Otro de los usos de estos nuevos materiales podría ser en la conversión del calor desechado de los reactores nucleares, en el enfriamiento de los productos obtenidos de los altos hornos o en la extracción de crudo de las plataformas petrolíferas. A su vez, la compañía Fujitsu ha desarrollado un dispositivo híbrido capaz de generar electricidad utilizando dos fuentes de energía natural simultáneamente: luz y calor. Esta nueva generación de dispositivos hará posible mantener la producción de energía a todas horas, reemplazando una fuente cuando la otra no esté disponible.

Historia de la lámpara

La historia de la lamparita empieza hace casi doscientos años, cuando Davy, químico inglés, hizo aparecer por primera vez, ante los atónitos miembros de la Royal Institution de Londres, un brillante hilo luminoso, entre dos electrodos formados por varillas de carbón de leña y unidos a dos polos de una enorme pila eléctrica. Desgraciadamente, este “arco voltaico”, que fue llamado “huevo eléctrico de Davy”, no se prestaba para usos prácticos, porque los carbones no producían una luz estable.

Sólo después de 1840, gracias a la invención de un nuevo tipo de pila, hecha por Daniel y Bunsen, que suministraba una corriente más intensa y duradera, el problema relativo a la iluminación eléctrica pudo ser afrontado con seriedad y gradualmente resuelto. Se debe al francés Foucault el primer gran paso adelante. Sustituyendo el carbón de leña por el que se forma en las retortas durante la producción de gas de alumbrado, llegó a preparar dos auténticos aparatos de iluminación que permitieron a una cuadrilla de obreros trabajar durante una noche entera en la construcción del Palacio de la Industria (Exposición de París de 1855). Veintitrés años después, siempre en París, se llevaba a cabo, con éxito, la primera tentativa de iluminación pública en la Plaza de la Ópera.

LA LAMPARITA DE EDISON: Durante el siglo XIX se mantuvo la iluminación a gas, con su luz suave y agradable, pero el mundo estaba ya preparado para el aprovechamiento de la energía eléctrica en este campo. Un grupo de financistas e industriales norteamericanos se dirigió a Edison, inventor del fonógrafo, y ya conocido como el “Mago de Menlo Park”, para que hiciese el milagro. Edison tuvo una idea feliz; volver incandescente un filamento de carbón en una ampolla de vidrio en la que se haría previamente el vacío perfecto; pero la realización de esta idea le costó muchos años de estudio y de minucioso y perseverante trabajo.

Los experimentos iniciados por él en 1870, sólo concluyeron en 1882. Los neoyorquinos, entusiasmados con el nuevo prodigio de Edison, “mandaron a descansar” los viejos fanales de gas y el familiar farol. En realidad, la lamparita de Edison ya había tenido su bautismo de luz en la exposición universal de París de 1881. En la ampolla, la incandescencia luminosa era obtenida mediante filamentos carbonizados de fibras de bambú del Japón, y tenía la virtud de asegurar una luz constante durante centenares de horas. Desde este momento, el problema fue solamente perfeccionar el nuevo sistema de instalación eléctrica. Una vez establecido el hecho de que las “radiaciones visibles producidas por un cuerpo incandescente aumentan con el aumento de la temperatura”, se comprendió rápidamente que el efecto luminoso sería tanto más sensible cuanto más se pudiese “elevar la temperatura del filamento e impedir la dispersión del calor”.

LA LAMPARITA DE FILAMENTO METÁLICO: A partir de 1890, las fábricas se sirvieron de sutilísimos hilos de metal, con una temperatura dé fusión mucho más alta. Fueron sucesivamente experimentados el osmio, el tantalio, y, en 1906, el tungsteno, que es  hoy considerado el mejor porque, además de ser resistente, es también un óptimo conductor de la electricidad. Para obtener filamentos de muy pequeño diámetro, fue usada primero una mezcla de polvo de tungsteno y sustancias adhesivas. Desde 1911, como consecuencia del progreso de los procedimientos industriales, se consiguió trefilar el tungsteno y aumentó la duración del filamento. Además se cambió la disposición del filamento mismo en la ampolla. De esta manera, su poder de absorción fue reducido a un vatio por bujía; de ahí el nombre de “mono vatio” dado a este tipo de lámpara.

LA LÁMPARA DE MEDIO VATIO: Otro paso adelante fue dado, en 1913, con un nuevo procedimiento. Para aumentar la temperatura del filamento, y para frenar la dispersión de calor, se tuvo la idea de rellenar las ampollas, en las que se había hecho el vacío, con un gas inerte que no diese lugar a alteraciones químicas. Se obtuvo así el aumento de temperatura deseado, pero fue más difícil limitar la fuga de calorías. El físico Langmuir comprendió que de esto dependía la disposición del filamento dentro de la ampolla, y demostró que se podía alcanzar una dispersión mínima de calor arrollando el filamento en hélice sobre sí mismo.

Así perfeccionadas, las lamparitas con filamento en hélice fueron llamadas de “medio vatio”, pues se calculó haber llegado a crear el tipo en el cual la potencia de absorción de la corriente era reducida a la “mitad de un vatio por bujía”. Pero el triunfo más resonante fue que, con la nueva fórmula, se llegó a retardar notablemente la disgregación del filamento, logrando una duración mayor de la lamparita.

FABRICACIÓN, METALURGIA DEL TUNGSTENO: Si las vidrierías han resuelto fácilmente el problema del vidrio adecuado para la fabricación de ampollas (o bulbos) para lámparas, la fabricación del filamento es, en cambio, extremadamente delicada. Debido a que el metal, para ser utilizado eficazmente, no debe fundirse, se le extrae del “wolframio” mediante complicados procesos químicos.

El tungsteno, que se obtiene bajo forma de “óxido” del tungsteno puro, es mezclado primeramente a pequeñas cantidades de sustancias capaces de mejorar sus propiedades, siendo luego pasado a hornos especiales en atmósfera de hidrógeno (para evitar la oxidación) de estos hornos sale bajo forma de un tenue polvo gris.

Este polvo es prensado dentro de moldes a presión, y los panes que resultan son colocados en otros hornos (también de atmósfera hidrogenada), en los cuales adquieren la solidez necesaria. Por medio de una fuerte corriente eléctrica, estos panes son llevados a una temperatura próxima a la de fusión, sin alcanzarla; son forjados luego por un martinete, a alta temperatura, hasta obtenerse hilos finísimos. Estos hilos pasan a la “trefilación”, pero antes de ser confiados a las hileras (que son de tungsteno o de diamante, según el diámetro que se quiere conseguir), se los somete de nuevo a alta temperatura.

Finalmente, pulido y libre de todo resto de grafito, el delgado filamento que se obtiene está listo para ser arrollado en hélice. El tungsteno es arrollado, por medio de máquinas de gran velocidad, alrededor de un soporte de acero o molibdeno. Siendo imposible desenrollar la espiral del soporte sin provocar la rotura del filamento, es necesario “disolver” el soporte mismo con un ácido que no ataque al tungsteno.

En 1835, el escocés James Bowman Lindsay fabrica el primer bulbo  experimental. Seguía sin funcionar y más de una docena de científicos lo intentaron hasta que en enero de 1879, el inglés Joseph Swan hace la primera demostración de un bulbo incandescente que no se apaga en Sunderland. Inglaterra.

Ese mismo año, en octubre, Thomas Edison que llevaba meses trabajando en el mismo invento, consigue el mismo resultado con el modelo N°9. Edison tenía más recursos, y al año siguiente puso a la venta las primeras bombillas. El truco estaba en encontrar el filamento adecuado, y hacer el vacío dentro del bulbo de vidrio.

MONTAJE DEL PIE DE LA LÁMPARA: Una parte esencial de la ampolla de las lamparitas está constituida por el pie, el cual se compone de:

a) un borde entrante de vidrio, destinado a ser soldado al cuello de la lamparita;

b) un pequeño tubo de vidrio que sirve primero para producir el vacío y después para el rellena miento con gas;

c) un bastoncillo de vidrio al que se aplican los soportes para el filamento:

d) los hilos que traen la corriente de alimentación.

Todo, esto es sujetado sólidamente por un aplanamiento parcial de las extremidades del borde entrante y por ‘la estrangulación del tubito de vidrio. Para obtener esta estrangulación, se ablanda el vidrio exponiéndolo a la llama, y, antes de que se endurece, un chorro de aire frío es dirigido a través de la extremidad inferior del tubito para provocar en la estrangulación misma un orificio mediante el cual el interior de la ampolla se comunica con el exterior. Los hilos conductores, fijados sólidamente dentro del pie, por medio de la estrangulación, están por lo general constituidos por tres partes distintas soldadas eléctricamente entre sí.

El pie es montado totalmente con máquinas que sueldan después en forma automática la parte superior del bastoncillo para formar un botón, sobre el cual la máquina misma fija los ganchos de sostén o apoyo. Cada uno de estos minúsculos ganchos termina en una pequeñísima “colita de cerdo” destinada a retener el filamento.

También el montaje del filamento es mecánico. Éste es fijado primeramente a la extremidad de los hilos que traen la corriente de alimentación, y aquí un dispositivo de precisión anuda los filamentos a los ganchos. El pie queda unido a la ampolla mediante la soldadura del borde entrante, hecha con la llama de un soplete de gas.

La lamparita es, al mismo tiempo, bañada por un potente chorro de aire que arrastra la parte superflua del cuello del bulbo, que sobresale del punto de soldadura. De aquí, la lámpara es transportada por cadena hacia la máquina que produce el vacío. La misma máquina, calentando la ampolla, procede a la extracción del aire y al rellena miento con gas (generalmente formado por una mezcla de nitrógeno-argán-criptón).

Inmediatamente después del llenado, el tubito de vidrio, que ha servido para esta operación, es cerrado mediante estrangulamiento a la llama. La fabricación de la lamparita propiamente dicha, se da así por terminada. Ahora no falta más que unirla al casquillo, operación que se hace en caliente mediante resinas especiales. Existe una enorme variedad de lámparas incandescentes para cuya realización fueron necesarios años de estudio, de pacientes búsquedas y de pruebas de laboratorio.

Es útil aquí recordar que, además de las diversas lamparitas que todos conocemos, desde la pequeñísima para linterna de bolsillo hasta la grande para iluminación de calles, existen lámparas “incandescentes” destinadas a usos especiales. Estas lámparas difieren de las comunes por la disposición interna del filamento y por otros requisitos de aislamiento y sistemas de montaje, relacionadas con la carga de corriente que deben absorber.

Se trata de lámparas con muy potente emisión de luz, necesarias para la fotografía, rodajes cinematográficos, proyecciones, etc. En cuanto a las lámparas fluorescentes, tan de actualidad en nuestra época, poseen, en lugar de filamento, una gruesa espiral. Tampoco debe olvidarse las lámparas térmicas que, iguales en todo a las lámparas de uso común, son hoy usadas con enormes ventajas tanto en la industria como en la terapéutica.

Por aquella época el problema consistía en encontrar una materia más fuerte y preservando mayor resistencia al paso de la corriente que el filamento de carbón. Se veía de modo claro era necesario buscar un metal, y todos los que se ocupaban de estos trabajos comenzaron a estudiar metales raros, con la misma tenacidad que lo habrían hecho antes al ensayar las tierras de esta clase. Un investigador llamado Auer fue el primero que fabricó la lámpara de osmio, puesta a la venta en 1904.

El osmio es un metal que se encuentra entre los minerales de platino, y cuando se quema al aire se combina con el oxígeno, produciendo un vapor cáustico, peligroso. En el vacío del globo de cristal de la lámpara eléctrica no hay oxígeno que pueda actuar sobre él, y el filamento construido con este metal hizo bajar el coste de la luz a muy cerca de la mitad.

Pero—tales son las vicisitudes en las invenciones modernas—-un año después se presentó en el mercado otra nueva lámpara eléctrica con filamento de tántalo. Inventada por Werner von Bolton, esta lámpara daba un quinto más de intensidad que su rival, pero poco después, en 1905, se descubrió otro filamento de metal raro aún más eficaz.

Entre los escombros de algunas minas, había una substancia muy pesada, de color gris acerado, a la que no se encontraba ninguna aplicación. Los suecos la dieron el nombre de «tungsteno», que significa «piedra pesada».  Ahora bien: este material que, aparentemente, no tenía utilidad alguna, es hoy uno de los metales más importantes y necesarios.

 Unido con el acero, forma el empleado en las máquinas-herramientas para preparar los titiles con el corte resistente preciso para los mecanismos que marchan a gran velocidad—tornos, taladros, perforadoras, acepilladoras y tantos otros, y que han revolucionado la industria metalúrgica. Ahora el tungsteno está camino de ser el principal manantial de luz. En el mundo. Al principio, ha habido una gran lucha entre la lámpara de tungsteno y la de tántalo. Este metal pasaba por ser uno de los más duros de los conocidos, y en sus primeros ensayos, von Bolton encontró imposible taladrar una chapa de tántalo de 1,016 milímetros. Pero refinando el metal en el arco eléctrico, y reduciendo algo su dureza, fue posible estirarle hasta conseguir alambres muy finos, y laminarle para formar hojas de pequeñísimo espesor.

Por este medio, von Bolton pudo obtener un alambre estirado para servir de filamento. La lámpara de tántalo no sólo daba Un rendimiento algo mayor del doble comparada con la de carbón, sino que también, lo que era importantísimo en la práctica, su duración era mucho mayor. Como, por otro lado, se acababan de descubrir ricas minas de tántalo en Australia, la nueva lámpara prometía ser tan económica como la ordinaria.

El tungsteno produce aún mejor luz que el tántalo, y, además, su rendimiento es una mitad mayor. La unidad de energía eléctrica produce una vez y media más intensidad con el tungsteno que con el tántalo, pero se presentaba la dificultad de que el nuevo metal era tan excesivamente duro, que no se podía estirar para convertirlo en alambre, por los medios usuales. Si se disolvía y obtenía el filamento por precipitación, era éste tan quebradizo, que la lámpara resultaba muy frágil y no se podía transportar a grandes distancias, y aun colocada en las casas, duraba muy poco. Pero, al fin, el tungsteno pudo estirarse, y con él se fabrican lámparas muy resistentes, dando clara e intensa iluminación. Produce una luz blanquísima, y es tres veces más económica que la lámpara ordinaria. Gracias a ella, el alumbrado eléctrico ha llegado al mayor grado de perfección.

Ahora lo que se precisa es encontrar metal abundante y mejorar los métodos de fabricación, para poder vender la lámpara que aparece en el mercado a un precio menor. Por de pronto, se ha encontrado tungsteno en grandes cantidades en muchas partes del mundo.

CRONOLOGÍA HISTÓRICA

·         l802 — El británico Humphry Davy hace la primera demostración de iluminación poniendo incandescente un hilo de platino sometido al paso de una corriente eléctrica.

·         1807 — Davis hace una nueva demostración; esta vez del arco eléctrico entre dos electrodos de carbono.

·         1835 — El escocés James Bowman Lindsay fabrica el primer bulbo de luz experimental.

·         1841 — Primera demostración de luz eléctrica en la Plaza de la Concordia de París con el sistema de arco eléctrico.

·         1854 — El inventor alemán Heinrich Goebel desarrolla el primer bulbo de luz moderno, en una ampolla con un filamento de bambú carbonizado en la que se ha hecho el vacío. Pero no patenta el invento y los americanos se apuntan el tanto. Goebel denunció a Edison, pero el juez le dio la razón al americano.

·         1860 — El británico Joseph Swan patenta el primer bulbo incandescente, es decir, la primera bombilla experimental.

·         1879 — En enero, Joseph Swan muestra al mundo la primera bombilla de hilo incandescente. En octubre, Edison hace lo mismo.

·         1901 — La empresa inglesa Cooper Hewitt Cop. Produce la primera lámpara de vapor de mercurio.

·         1910 — El francés George Claude fabrica el primer tubo de neón.

·         1933 — El americano George Elmer fabrica el primer tubo fluorescente de la historia

Objective

To build a lamp that generates light energy by adopting the Peltier effect.

Justification

Justification

The Peltier effect was discovered in 1834 by the French physicist Jean Charles Peltier as a thermoelectric phenomenon. Consequently, the aforementioned phenomenon allows that in the device in which it is developed has multiple reactions in its semiconductors about the temperature and electrical factors, having an effect variable depending on the factors to which it is exposed.

Based on prior information. Taking into consideration the possible results of the physical phenomenon and their multiple products, we can consider that the needs of human civilization, can potentially be fulfilled as an alternative to the production of electricity, in this case adopting a system that produces light energy we can complement the efficiency that this tool has given us. Taking into consideration the saving of funds in batteries and protection to the environment in greater percent the consequences of the toxic waste of alkaline and rechargeable batteries after the end of its useful life. In addition to having an equal capacity to illuminate.

Hypothesis

If we can build a lamp that uses the Peltier effect as a source of energy, therefore we will have an alternative to conventional lighting system.

Method (materials and procedure)

Materials list

• 6 Peltier cells
• 12 heatsinks
• 6 plastic plates 3 mm thick

and 12 × 12 cm

• 6 leds of white light 3.7v
• 12 rubber bands
• 1 circle of illustration board 6 cm radius

• 10 cm red cable
• 10 cm black cable

Tools

• 1 pencil
• 1 geometry compass
• 1 ruler
• 1 soldering iron
• Welding
• Welding paste
• Silicone Gun with 3 Silicone

Refills

• Insulating tape

Process

1. We apply thermal paste on both sides of the Peltier cell, completing this process with the 6 Peltier cells.
2. Fix a heatsink on each side of the cell, completing this process with the 6 Peltier cells.
3. Set the whole set (Peltier cell, temperature dissipators) with 2 rubber bands distributed to the fins at each end.
4. Cut a rectangular hole with dimensions of 4 × 4.2 cm in the center of each plastic plate.
5. With the silicone gun, apply silicone around the edges of the hole previously made, then assemble the whole set, ensuring that the Peltier cell is noticeable on the inner side of what will be the lamp.
6. Remove the excess of silicone.
7. Weld the cables of each Peltier cell in the form of a series circuit.
8. Connect and weld the series circuit to the current booster.
9. Cut a rectangular hole of 2 x 3 cm.
10. Weld the cables of the series circuit to the cable that is connected to the direct current, later on connect it to a switch.
11. Place the switch in the hole previously made and seal it with silicone and remove the excess.
12. Draw the holes in which all the LEDs will be placed in the circle of illustration board.
13. Attach the silicone gun to each plate with silicone, trying not to ruin the inside of the lamp.

Method Gallery

Results

As a final product we obtained a lamp that works by means of the thermoelectricity, obtaining an efficiency of around 10% to 20% without considering the variations of the temperature of the water.

The Peltier system is capable to produce 8-13 volts having as a main problem the relation between the temperature and time because the model used has a short period of time to have a stable operation and a long period of time to reduce its temperature, which imposes a lower performance than the expected.

Results Gallery

Discussion

The main differences we can observe in our prototype compared to conventional lamps are the time of use, voltage and intensity that the internal system is able to provide.

Most essential materials are not sufficiently accessible due to their low market use.

Conclusions

Taking into account that the phase of our project provides results as a prototype, which has the ability to generate light and electricity at the same time, however  against the current competition as they are:

Overheating, which completely induces the internal system to a total stop of electrical production, requiring at least 30 minutes to re-refrigerate and resume the functions of the system, which is the second disadvantage.

Bibliography

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