Hiện tượng nhiệt điện là gì?
Hiện tượng nhiệt điện là quá trình tạo ra một điện thế nhiệt điện trong một mạch điện đóng. Trong trường hợp này, giữa hai đầu của vật liệu kim loại hoặc hợp kim sẽ xuất hiện một sự chênh lệch nhiệt độ. Một cách đơn giản, hiện tượng này là quá trình sinh ra một dòng điện trong mạch đóng khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai dây dẫn.
Theo lý thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại, khi dây kim loại có một đầu nóng và một đầu lạnh, chuyển động nhiệt của electron sẽ gây ra sự tập trung của electron tự do từ đầu nóng về đầu lạnh. Đầu nóng sẽ mang điện tích dương và đầu lạnh sẽ mang điện tích âm.
Hiệu ứng nhiệt điện là gì?
Hiệu ứng nhiệt điện còn được gọi là hiệu ứng Peltier-Seebeck. Đây là quá trình trao đổi trực tiếp giữa nhiệt năng và điện năng thông qua một kết nối giữa hai vật dẫn điện. Có thể hiểu một cách đơn giản là khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên, một hiệu điện thế sẽ được tạo ra và ngược lại. Nếu có sự chênh lệch về điện năng giữa hai bên, nhiệt năng sẽ được tạo ra ở giữa chúng.
Hiệu ứng này được phát hiện lần đầu vào năm 1834 bởi nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier. Ông đã kết nối một dây bismuth với một dây đồng và áp dụng nguồn điện để tạo thành một mạch điện kín. Kết quả là nhà vật lý đã quan sát thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt, một mặt có nhiệt độ tăng cao và một mặt có nhiệt độ giảm.
Nếu tiến hành đặt một mặt lạnh bên trong một hộp kín, thiết bị có khả năng sẽ biến thành một tủ lạnh. Điểm mạnh chính của hiệu ứng này là giúp làm lạnh nhanh các thiết bị một cách ổn định mà không cần bổ sung thêm máy nén khí, van điều tiết,… Thế nhưng công suất làm lạnh của nó không cao.
Thí nghiệm về hiện tượng nhiệt điện
Đầu tiên, chúng ta thực hiện việc gắn một mô tơ cánh quạt chạy bằng điện 1 chiều với hai thanh kim loại. Sau đó, hai thanh kim loại được nhúng vào hai cốc khác nhau: một cốc chứa không khí và một cốc chứa nước. Khi quan sát thí nghiệm, ta không thấy bất kỳ sự thay đổi nào xảy ra (cánh quạt không quay). Điều này cho thấy không có dòng điện nào được tạo ra trong mạch điện.
Tiếp theo, chúng ta thực hiện việc đổ nước có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn nước trong cốc ban đầu vào cốc chứa không khí. Sau một khoảng thời gian, chúng ta sẽ thấy cánh quạt bắt đầu quay. Điều này cho thấy rằng có dòng điện đã xuất hiện trong mạch.
Tiếp theo, chúng ta thực hiện việc tăng độ chênh lệch nhiệt độ trong cả hai cốc nước và tiếp tục quan sát. Lúc này, ta dễ dàng nhận thấy rằng khi chênh lệch nhiệt độ càng lớn giữa hai thanh kim loại, cánh quạt sẽ quay càng nhanh. Điều này cho thấy rằng sự chênh lệch nhiệt độ của hai thanh kim loại ảnh hưởng đến cường độ dòng điện được tạo ra trong mạch.
Do đó, hiện tượng mà ta quan sát trong thí nghiệm trên là hiệu ứng nhiệt điện, trong đó dòng điện được tạo ra bằng hiệu ứng điện động nhiệt.
Lý giải hiện tượng vật lý xảy ra trong thí nghiệm
Dòng điện sẽ xuất hiện trong mạch điện khi có sự chênh lệch về nhiệt độ.
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ trong dây dẫn, mật độ các hạt mang điện tại nơi có nhiệt độ cao sẽ lớn hơn so với mật độ các hạt mang điện tại nơi có nhiệt độ thấp. Do đó, các hạt mang điện sẽ di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp, tạo ra dòng điện. Đồng thời, điều này tạo ra một chênh lệch điện thế giữa hai đầu của vật dẫn.
Vì vậy, khi chúng ta tạo một mạch kín, sẽ tạo ra một suất điện động nhiệt điện và dòng điện được tạo ra sẽ giúp cánh quạt quay.
Cặp nhiệt điện là gì?
“Cặp nhiệt điện” trong tiếng Anh được ghép bởi từ “thermo” có nghĩa là “nhiệt” và “couple” biểu thị hai sự kết hợp. Vì vậy, chúng ta có thể hiểu “cặp nhiệt điện” là sự kết hợp của hai nguồn nhiệt.
Một cặp nhiệt điện thông thường bao gồm hai dây kim loại khác nhau. Mỗi dây kim loại này được chế tạo từ một kim loại hoặc hợp kim. Hai dây kim loại hoặc hợp kim này được kết nối tại một đầu để tạo thành một điểm đo. Thường thì điểm này được gọi là điểm nóng, vì nhiệt độ đo được thường cao hơn nhiệt độ môi trường. Hai đầu còn lại của hai dây được kết nối với một thiết bị đo để tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua. Thiết bị đo này sẽ đo mức điện áp tại điểm nối và chuyển đổi nó thành giá trị nhiệt độ tương ứng.
Ứng dụng cặp nhiệt điện
Bên cạnh hiện tượng nhiệt điện, cặp nhiệt điện được sử dụng trong việc chế tạo nhiệt kế điện và cảm biến để đo nhiệt độ. Sự ứng dụng của cặp nhiệt điện trong nhiệt kế điện và cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên lý hoạt động của nó. Cụ thể, nguyên lý hoạt động như sau:
Suất điện động được tạo ra từ cặp nhiệt điện tỉ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ (xác định trong bảng thực nghiệm). Trong quá trình đo, ta đặt một đầu của cặp nhiệt điện vào vùng cần đo nhiệt độ, khi đó suất điện động nhiệt điện sẽ được hình thành bên trong cặp nhiệt điện. Từ mức độ suất điện động nhiệt điện tạo ra, ta có thể tính được nhiệt độ đang muốn đo.
Vậy chúng ta có thể nhận thấy ứng dụng của cặp nhiệt điện là để đo nhiệt độ. Tuy nhiên, nhiệt kế điện thường được sử dụng để đo nhiệt độ ở những nơi có nhiệt độ cao như lò nung, lò hơi, lò luyện thép…
– Ứng dụng cặp kế nhiệt điện để đo nhiệt độ trong lò nung: Lò nung thường có môi trường nhiệt độ dao động từ 1300 độ C đến 1600 độ C. Do đó, để tiến hành đo nhiệt độ, chúng ta cần sử dụng cặp kế nhiệt điện. Thông thường, cặp nhiệt điện loại S sẽ được chọn để thực hiện đo lường.
– Ứng dụng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ trong lò hơi: Lò hơi có môi trường nhiệt độ tương đối “nhẹ nhàng” so với cặp nhiệt điện, với nhiệt độ trong khoảng 1200 độ C trở xuống. Vì vậy, khi đo nhiệt độ trong lò hơi, ta sử dụng cặp nhiệt điện loại K để thực hiện.
Hiện tượng siêu dẫn là gì?
Cùng với hiện tượng nhiệt điện, hiện tượng siêu dẫn là một hiện tượng vật lý mô tả sự giảm điện trở đột ngột về 0 của một số vật liệu khi chúng được đặt trong một trường từ nhỏ và ở nhiệt độ đủ thấp.
Những lợi ích của vật liệu siêu dẫn:
Điện trở của vật liệu siêu dẫn gần như bằng 0, cho phép dòng điện trong vật dẫn duy trì trong thời gian dài.
Vật liệu siêu dẫn có khả năng tạo ra từ trường rất mạnh.
Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn
Hiện tượng siêu dẫn có ứng dụng trong việc:
– Truyền tải năng lượng điện
– Tạo ra máy gia tốc mạnh
– Máy đo chính xác điện trường
– Máy quét MRI trong lĩnh vực y học
Trong bài viết trên chúng tôi đã chia sẻ chi tiết về hiện tượng nhiệt điện là gì. Bên cạnh đó Tuấn Hưng PHát cũng đề cập đến hiện tượng siêu dẫn và cặp nhiệt điện. Mong rằng trong bài viết trên đây sẽ chia sẻ đến mọi người toàn bộ kiến thức hiện tượng nhiệt điện.
