Hiện tượng nhiệt điện là một chủ đề riêng biệt trong vật lý, trong đó họ xem xét cách nhiệt độ có thể tạo ra điện và hiện tượng sau dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ. Một trong những hiện tượng nhiệt điện đầu tiên được phát hiện là hiệu ứng Seebeck.
Điều kiện tiên quyết để mở hiệu ứng
Năm 1797, nhà vật lý người Ý Alessandro Volta, khi tiến hành nghiên cứu trong lĩnh vực điện, đã phát hiện ra một trong những hiện tượng đáng kinh ngạc: ông phát hiện ra rằng khi hai vật liệu rắn tiếp xúc, một sự chênh lệch tiềm năng xuất hiện trong vùng tiếp xúc. Nó được gọi là hiệu số liên lạc. Về mặt vật lý, điều này có nghĩa là vùng tiếp xúc của các vật liệu khác nhau có sức điện động (EMF) có thể dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện trong một mạch kín. Nếu bây giờ hai vật liệu được kết nối trong một mạch (để tạo thành hai tiếp điểm giữa chúng), thì EMF được chỉ định sẽ xuất hiện trên mỗi vật liệu, sẽ có cùng độ lớn, nhưng ngược dấu. Phần sau giải thích tại sao không có dòng điện nào được tạo ra.
Lý do cho sự xuất hiện của EMF là một cấp độ khác của Fermi (năng lượngcác trạng thái hóa trị của electron) trong các vật liệu khác nhau. Khi vật liệu thứ hai tiếp xúc, mức Fermi giảm (ở một vật liệu thì giảm, ở vật liệu khác thì tăng). Quá trình này xảy ra do sự di chuyển của các electron qua tiếp điểm, dẫn đến sự xuất hiện của EMF.
Cần lưu ý ngay rằng giá trị EMF là không đáng kể (theo thứ tự vài phần mười của vôn).
Khám phá của Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (nhà vật lý người Đức) vào năm 1821, tức là 24 năm sau khi phát hiện ra sự chênh lệch điện thế tiếp xúc của Volt, đã tiến hành thí nghiệm sau. Ông kết nối một tấm bitmut và đồng, và đặt một cây kim từ tính bên cạnh chúng. Trong trường hợp này, như đã đề cập ở trên, không có dòng điện xảy ra. Nhưng ngay sau khi nhà khoa học đưa ngọn lửa của đầu đốt đến một trong những điểm tiếp xúc của hai kim loại, thì kim từ tính bắt đầu quay.
Bây giờ chúng ta biết rằng lực Ampère do vật dẫn mang dòng điện tạo ra khiến nó quay, nhưng lúc đó Seebeck không biết điều này, vì vậy ông đã nhầm tưởng rằng sự nhiễm từ của kim loại xảy ra do nhiệt độ. sự khác biệt.
Lời giải thích chính xác cho hiện tượng này được đưa ra vài năm sau bởi nhà vật lý người Đan Mạch Hans Oersted, người đã chỉ ra rằng chúng ta đang nói về một quá trình nhiệt điện, và một dòng điện chạy qua một mạch kín. Tuy nhiên, hiệu ứng nhiệt điện được phát hiện bởi Thomas Seebeck hiện mang họ của ông.
Vật lý của các quá trình đang diễn ra
Một lần nữa để củng cố vật liệu: bản chất của hiệu ứng Seebeck là gây radòng điện là kết quả của việc duy trì nhiệt độ khác nhau của hai tiếp điểm bằng vật liệu khác nhau, tạo thành một mạch kín.
Để hiểu điều gì xảy ra trong hệ thống này và tại sao dòng điện bắt đầu chạy trong nó, bạn nên làm quen với ba hiện tượng:
- Điều đầu tiên đã được đề cập - đây là sự kích thích của EMF trong vùng tiếp xúc do sự căn chỉnh của các mức Fermi. Năng lượng của mức này trong vật liệu thay đổi khi nhiệt độ tăng hoặc giảm. Thực tế sau sẽ dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện nếu hai tiếp điểm được đóng trong một mạch (các điều kiện cân bằng trong vùng tiếp xúc của các kim loại ở các nhiệt độ khác nhau sẽ khác nhau).
- Quá trình di chuyển vật mang điện tích từ vùng nóng sang vùng lạnh. Hiệu ứng này có thể hiểu được nếu chúng ta nhớ rằng các điện tử trong kim loại và các điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn, theo cách gần đúng đầu tiên, có thể được coi là khí lý tưởng. Như đã biết, chất sau khi được nung nóng trong một thể tích kín sẽ làm tăng áp suất. Nói cách khác, trong vùng tiếp xúc, nơi có nhiệt độ cao hơn, "áp suất" của khí electron (lỗ trống) cũng cao hơn, do đó hạt mang điện có xu hướng đi đến vùng lạnh hơn của vật liệu, nghĩa là, đến một nơi tiếp xúc khác.
- Cuối cùng, một hiện tượng khác dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện trong hiệu ứng Seebeck là sự tương tác của các phonon (dao động mạng tinh thể) với các hạt tải điện. Tình huống này trông giống như một phonon, di chuyển từ điểm tiếp giáp nóng sang điểm tiếp giáp lạnh, "va vào" một điện tử (lỗ trống) và truyền thêm năng lượng cho nó.
Ba quy trình được đánh dấudo đó, sự xuất hiện của dòng điện trong hệ thống được mô tả được xác định.
Hiện tượng nhiệt điện này được mô tả như thế nào?
Rất đơn giản, đối với điều này, họ đưa ra một tham số S nhất định, được gọi là hệ số Seebeck. Tham số cho biết giá trị EMF có được tạo ra hay không nếu sự chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc được duy trì bằng 1 Kelvin (độ C). Đó là, bạn có thể viết:
S=ΔV / ΔT.
Ở đây ΔV là EMF của mạch (điện áp), ΔT là chênh lệch nhiệt độ giữa điểm tiếp xúc nóng và lạnh (vùng tiếp xúc). Công thức này chỉ gần đúng, vì S thường phụ thuộc vào nhiệt độ.
Các giá trị của hệ số Seebeck phụ thuộc vào bản chất của vật liệu tiếp xúc. Tuy nhiên, chúng ta chắc chắn có thể nói rằng đối với vật liệu kim loại các giá trị này bằng đơn vị và hàng chục μV / K, trong khi đối với chất bán dẫn chúng là hàng trăm μV / K, tức là chất bán dẫn có lực nhiệt điện theo bậc lớn hơn kim loại.. Lý do cho thực tế này là sự phụ thuộc mạnh mẽ hơn của các đặc tính của chất bán dẫn vào nhiệt độ (độ dẫn điện, nồng độ của hạt tải điện).
Hiệu quả quy trình
Thực tế đáng ngạc nhiên về việc truyền nhiệt thành điện năng mở ra cơ hội lớn cho việc ứng dụng hiện tượng này. Tuy nhiên, đối với việc sử dụng công nghệ của nó, không chỉ bản thân ý tưởng là quan trọng mà còn là các đặc điểm định lượng. Đầu tiên, như đã được hiển thị, emf kết quả là khá nhỏ. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng kết nối nối tiếp với một số lượng lớn các dây dẫn (màđược thực hiện trong ô Peltier, sẽ được thảo luận bên dưới).
Thứ hai, đó là vấn đề hiệu suất phát nhiệt điện. Và câu hỏi này vẫn còn bỏ ngỏ cho đến ngày nay. Hiệu quả của hiệu ứng Seebeck cực kỳ thấp (khoảng 10%). Tức là, trong số tất cả nhiệt lượng tiêu hao, chỉ một phần mười của nó có thể được sử dụng để thực hiện công việc hữu ích. Nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang cố gắng tăng hiệu quả này, điều này có thể được thực hiện bằng cách phát triển các vật liệu thế hệ mới, chẳng hạn như sử dụng công nghệ nano.
Sử dụng hiệu ứng được khám phá bởi Seebeck
Dù hiệu quả thấp nhưng vẫn phát hiện được công dụng của nó. Dưới đây là các lĩnh vực chính:
- Cặp nhiệt. Hiệu ứng Seebeck được sử dụng thành công để đo nhiệt độ của các vật thể khác nhau. Trên thực tế, một hệ thống gồm hai tiếp điểm là một cặp nhiệt điện. Nếu biết hệ số S của nó và nhiệt độ của một trong hai đầu thì bằng cách đo hiệu điện thế xảy ra trong mạch, có thể tính được nhiệt độ của đầu kia. Cặp nhiệt điện cũng được sử dụng để đo mật độ của năng lượng bức xạ (điện từ).
- Tạo ra điện trên tàu thăm dò vũ trụ. Các tàu thăm dò do con người phóng để khám phá hệ mặt trời của chúng ta hoặc xa hơn là sử dụng hiệu ứng Seebeck để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử trên tàu. Điều này được thực hiện nhờ một máy phát nhiệt điện bức xạ.
- Ứng dụng của hiệu ứng Seebeck trên ô tô hiện đại. BMW và Volkswagen công bốsự xuất hiện trên ô tô của họ máy phát nhiệt điện sử dụng nhiệt của khí thải ra từ ống xả.
Hiệu ứng nhiệt điện khác
Có ba hiệu ứng nhiệt điện: Seebeck, Peltier, Thomson. Bản chất của cái đầu tiên đã được xem xét. Đối với hiệu ứng Peltier, nó bao gồm làm nóng một tiếp điểm và làm mát tiếp điểm kia, nếu mạch được thảo luận ở trên được kết nối với nguồn dòng điện bên ngoài. Tức là, hiệu ứng Seebeck và Peltier trái ngược nhau.
Hiệu ứng Thomson có cùng bản chất, nhưng nó được xét trên cùng một chất liệu. Bản chất của nó là sự giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt bởi một vật dẫn mà dòng điện chạy qua và các đầu của chúng được duy trì ở các nhiệt độ khác nhau.
Peltier cell
Khi nói về bằng sáng chế cho các mô-đun máy phát nhiệt với hiệu ứng Seebeck, tất nhiên, điều đầu tiên họ nhớ là tế bào Peltier. Nó là một thiết bị nhỏ gọn (4x4x0,4 cm) được làm từ một loạt các dây dẫn loại n và p mắc nối tiếp. Bạn có thể tự làm. Hiệu ứng Seebeck và Peltier là trọng tâm trong công việc của cô. Điện áp và dòng điện mà nó hoạt động là nhỏ (3-5 V và 0,5 A). Như đã đề cập ở trên, hiệu quả công việc của nó rất nhỏ (≈10%).
Nó được sử dụng để giải quyết các công việc hàng ngày như làm nóng hoặc làm mát nước trong cốc hoặc sạc điện thoại di động.
