Hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện là hiệu ứng chuyển đổi trực tiếp giữa sự chênh lệch về nhiệt độ thành điện áp và ngược lại. Một thiết bị nhiệt-điện tạo ra một điện áp khi có một sự chênh lệch nhiệt độ ở hai mặt của thiết bị. Ngược lại, khi một điện áp được đưa vào hai điện cực của thiết bị sẽ tạo ra một sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của thiết bị đó.

Ở quy mô nguyên tử, một Gradient nhiệt sẽ được tạo ra trong nội tại vật liệu nhằm khếch tán nhiệt từ mặt nóng sang mặt lạnh của thiết bị, tương tự như sự giãn nở khí khi bị đốt nóng, do đó tạo ra một dòng nhiệt chảy trong vật liệu.

Hiệu ứng này có thể được sử dụng để tạo ra điện áp, đo nhiệt độ hoặc thay đổi nhiệt độ của các đối tượng. Bởi vì quá trình đốt nóng hay làm lạnh được xác định bởi sự phân cực của điện áp, do đó các thiết bị nhiệt điện được coi là các thiết bị điều khiển nhiệt độ vô cùng hiệu quả.

Thuật ngữ "hiệu ứng nhiệt điện" bao gồm ba hiệu ứng riêng biệt đó là: hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Thomson. Việc tách biệt các hiệu ứng này xuất phát từ những khám phá độc lập của các nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier và nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck.

Theo định luật Joule, khi ta đặt một điện áp lên một điện trở, điện trở sẽ bị đốt nóng và sinh nhiệt. Nhưng hiện tượng này không được gọi là hiệu ứng nhiệt điện. Bởi vì hiệu ứng Peltier-Seebeck và Thomson có hiệu ứng ngược còn định luật Joule thì không.

Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng Seebeck là hiệu ứng chuyển đổi sự chênh lệch nhiệt độ trực tiếp thành điện và tên hiệu ứng đã được đặt theo tên nhà vật lý người Đức - Johann Thomas Seebeck.

Vào năm 1821, Seebeck phát hiện ra rằng một kim la bàn sẽ bị lệch hướng bởi một vòng khép kín được hình thành bởi hai kim loại khác nhau bố trí ở hai phía và có thêm một sự chênh lệch nhiệt độ ở giữa các mối nối của hai kim loại này.

Sở dĩ xảy ra hiện tượng này là do các kim loại khác nhau sẽ phản ứng khác nhau với nhiệt độ, do đó, một dòng điện kín sẽ được tạo ra trong vòng dây và sinh ra một từ trường tác dụng lên kim la bàn. Nhưng lúc đó, Seebeck vẫn chưa nhận ra được sự xuất hiện của dòng điện trong khung dây, do đó, ông chỉ đơn thuần gọi hiện tượng này là

hiệu ứng nhiệt-từ. Sau đó, nhà vật lý học người Đan Mạch - Hans Christian Ørsted đã sửa chữa sự nhầm lẫn của Seebeck và đưa ra một thuật ngữ mới là "nhiệt điện".

Điện áp được tạo ra bởi hiệu ứng này vào khoảng vài micro vôn với nhiệt độ chênh lệch một độ kenvin. Khi kết hợp kim loại Đồng và Constantan (Hợp kim Đồng- Niken), Seebeck đã tạo ra được một điện áp 41 micro vôn/kenvin ở nhiệt độ phòng.

Điện áp V sinh ra có thể xác định bằng biểu thức sau:

   2 1 ( ( ) ( )) T T SB T SA T dT V Trong đó:

- SA và SB là hệ số Seebeck (Sức nhiệt) ứng với mỗi kim loại A và B. Và là một hàm của nhiệt độ.

- T1 và T2 là nhiệt độ của hai điện cực tiếp xúc.

- Các hệ số Seebeck là hàm phi tuyến của nhiệt độ và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tuyệt đối, vật liệu và cấu trúc phân tử của vật dẫn kim loại.

Nếu các hệ số Seebeck là hằng số trên toàn khoảng nhiệt độ đo thì công thức trên có thể được xấp xỉ bằng công thức sau đây:

V = (SB - SA).(T2 - T1)

Hiệu ứng Seebeck sử dụng cặp nhiệt điện được sử dụng để đo sự chênh lệch nhiệt độ, đo nhiệt độ tuyệt đối khi biết các nhiệt độ áp dụng lên các cực của cặp nhiệt điện.

Một kim loại không rõ thành phần cũng có thể được phân loại theo hiệu ứng nhiệt điện của nó nếu gắn nó vào thành một cực của cặp nhiệt điện và biết thành phần cấu tạo của cực còn lại, khi đó cần giữ cặp nhiệt điện tại một nhiệt độ chênh lệch ổn định và đảm bảo hai cặp cực tiếp xúc tốt. Các công cụ kiểm tra chất lượng công nghiệp sử dụng bảng phân loại hợp kim nhiệt điện để xác định các hợp kim kim loại.

Các cặp nhiệt điện cũng có thể được ghép nối tiếp để tạo thành một pin nhiệt điện để tăng điện áp đầu ra. Cũng có thể tạo ra các máy phát điện nhiệt điện từ việc khai thác hiệu ứng này.

Hệ số Seebeck (Sức nhiệt)

Sức nhiệt hay hệ số Seebeck được kí hiệu bằng S là số đo độ lớn của điện áp trên mỗi đơn vị chênh lệch nhiệt độ sinh ra bởi hiệu ứng nhiệt điện tương ứng với mỗi vật liệu. Sức nhiệt S có đơn vị là V/K nhưng đơn vị V /K được sử dụng phổ biến hơn.

Những vật liệu nhiệt điện tốt thường có giá trị S lớn tới hàng trăm V/K (Giá trị tuyệt đối, không quan tâm tới dấu). Thuật ngữ Sức nhiệt cũng có thể là một thuật ngữ

chưa đúng bởi nó không đo năng lượng nhiệt mà chỉ đo giá trị điện áp sinh ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ.

Nhiệt độ của vật liệu và cấu trúc tinh thể của vật liệu cũng ảnh hưởng đến độ lớn của sức nhiệt S. Vật liệu kim loại thường có giá trị S nhỏ bởi cấu trúc kim loại gồm các hạt mang điện dương và âm cản trở quá trình tăng điện áp nhiệt điện.

Trong khi đó, vật liệu bán dẫn có thể được pha tạp để tạo ra các điện tử và lỗ trống, do đó, điện áp nhiệt điện có thể được gia tăng. Dấu của sức nhiệt S phụ thuộc vào chiều của dòng hạt tải chiếm ưu thế.

Nếu sự chênh lệch nhiệt độ T giữa hai điện cực rất nhỏ thì sức nhiệt S có thể được xấp xỉ theo biểu thức sau:

T V S    

Khi đó, điện áp nhiệt điện V sẽ được xác định rất dễ dàng.

Cũng có thể viết lại biểu thức trên theo sự liên hệ giữa điện trường E và gradient nhiệt độ T thành biểu thức sau đây:

T E S

 

Tuy nhiên, nhiệt độ tuyệt đối thường ít khi được quan tâm bởi để đo được điện áp nhiệt điện người ta thường đặt que đo của thiết bị đo tiếp xúc vào hai điện cực, do đó, nhiệt độ tuyệt đối lúc đó lại phụ thuộc vào cả vật liệu làm điện cực và vật liệu làm que đo nữa. Khi đó:

T V T V S S S B A A B AB        

Mặt khác, S có thể được tính theo hệ số Thomson như sau:

dT T S  Trong đó,  là hệ số Thomson.

Chính vì những điều này mà sức nhiệt S được coi là một thông số vô cùng quan trọng quyết định hiệu quả của vật liệu nhiệt điện. S lớn sẽ tạo ra điện áp nhiệt điện lớn cũng đồng nghĩ với hiệu suất nhiệt điện của vật liệu nhiệt điện lớn.

Hiệu ứng Seebeck được gây ra bởi hai hiện tượng: Khuếch tán hạt tải và Kéo Phonon.

Sự khuếch tán hạt tải

Các hạt tải của vật liệu sẽ bị khuếch tán khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của vật liệu. Các hạt tải nóng sẽ khuếch tán từ mặt nóng sang mặt lạnh của vật liệu, do đó, tồn tại một mật độ nhỏ các hạt tải nóng tại mặt lạnh của vật liệu và ngược lại.

Khi nhiệt độ được phân bố đều trên toàn bộ vật liệu thì khi đó vật liệu đã đã được trạng thái cân bằng động về nhiệt độ. Sự chuyển động của nhiệt độ (cũng như sự chuyển động của hạt tải nóng) từ mặt nóng sang mặt lạnh sẽ tạo ra một dòng điện.

Khi một hệ thống được giữ ở một trạng thái chênh lệch nhiệt độ ổn định, cũng chính là giữ ổn định sự khuếch tán hạt tải. Nếu tốc độ khuếch tán của hạt tải nóng và hạt tải lạnh giữa hai mặt vật liệu là như nhau thì sẽ không có sự thay đổi về lượng hạt tải. Nhưng các hạt tải khuếch tán lại bị tán xạ bởi các tạp chất, các sai hỏng trong cấu trúc vật liệu, và sự dao động mạng tinh thể hay phonon. Nếu các tán xạ này phụ thuộc vào năng lượng thì các hạt tải nóng và lạnh sẽ khuếch tán với tốc độ khác nhau, tạo ra các vùng hạt tải có mật độ lớn hơn trên một mặt của vật liệu, do đó, tạo ra một điện áp tĩnh điện, điện trường. Điện trường này lại ngăn chặn sự tán xạ không đồng đều của các hạt tải, sự cân bằng được xác lập khi khối lượng hạt tải khuếch tán về một hướng bằng khối lượng hạt tải khuếch tán theo hướng ngược lại.

Điều này có nghĩa là sức nhiệt của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào tạp chất, các sai hỏng trong cấu trúc vật liệu, cấu trúc tinh thể những yếu tố bị chi phối nhiều bởi nhiệt độ và điện trường. Tóm lại, sức nhiệt của vật liệu là tập hợp của rất nhiều hiệu ứng khác nhau.

Những cặp nhiệt điện trước kia đều được chế tạo bằng kim loại nhưng cùng với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, các cặp nhiệt điện ngày nay được chế tạo từ các bán dẫn loại N và các bán dẫn loại P được liên kết với nhau bằng các tiếp điểm kim loại.

Các chuyển tiếp bán dẫn được dùng khá phổ biến trong các thiết bị phát điện, trong khi các chuyển tiếp kim loại (liên kết giữa hai loại bán dẫn) lại được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị đo đạc nhiệt độ. Dòng tải sẽ chảy qua các thành phần bán dẫn loại N qua liên kết kim loại đến các thành phần bán dẫn loại P.

Khi cho một dòng điện chạy qua thiết bị, các điện tử (electron) trong bán dẫn loại N sẽ chuyển động ngược với hướng của dòng điện và các lỗ trống trong bán dẫn loại P sẽ chuyển động cùng với hướng của dòng điện. Khi đó, một mặt của thiết bị sẽ bị mất nhiệt.

Hình 2.3. Sự thay đổi nhiệt độ ở hai mặt khi cung cấp dòng điện vào thiết bị.

Khi ta cung cấp một nguồn nhiệt vào, thiết bị sẽ đóng vai trò như một máy phát điện. Nguồn nhiệt được cung cấp vào sẽ lái các điện tử (electron) trong thành phần bán dẫn loại N về phía vùng lạnh, do đó, tạo ra một dòng điện chạy trong mạch. Các lỗ trống trong thành phần bán dẫn loại P sẽ chuyển động cùng chiều của dòng điện sinh ra. Vì vậy, năng lượng nhiệt sẽ được biến đổi thành năng lượng điện.

Hình 2.4. Dòng điện sinh ra khi cung cấp nguồn nhiệt vào thiết bị.

Kéo Phonon

Các phonon không phải lúc nào cũng tồn tại trong trạng thái cân bằng nhiệt, chúng thường di chuyển để chống lại gradient nhiệt. Chúng sẽ bị mất năng lượng khi

chúng tương tác với các điện tử (electron) (hoặc các hạt tải khác) hoặc bị mất năng lượng do sự không hoàn hỏa của cấu trúc tinh thể.

Nếu sự tương tác phonon-electron là yếu tố nổi bật, thì các phonon sẽ có xu hướng đẩy các điện tử vào một phía của vật liệu, do đó, năng lượng của các phonon cũng có đóng góp trong trường nhiệt điện. Từ đó ta có:

D

T 

5 1 

Trong đó, D là nhiệt độ Debye. Ở nhiệt độ thấp sẽ có ít phonon tham gia vào việc kéo, ở nhiệt độ cao hơn thì xu hướng mất năng lượng trong các tương tác phonon- phonon sẽ lấn át các tương tác phonon-electron.

Hiệu ứng Peltier

Hiệu ứng Peltier là sự xuất hiện của nhiệt độ tại tiếp điểm của hai vật liệu kim loại khác nhau. Hiệu ứng này được phát hiện ta năm 1834 và được đặt tên theo tên nhà vật lý người Pháp Jean-Charles Peltier.

Khi một dòng điện chạy qua điểm tiếp xúc của hai kim loại khác nhau A và B, một chênh lệch nhiệt độ sẽ được tạo ra giữa mặt trên của tiếp xúc có nhiệt độ T2 và mặt dưới của tiếp xúc có nhiệt độ T1. Khi đó, hấp thụ nhiệt Q. của mặt dưới tiếp xúc sẽ được tính theo biểu thức sau:

   

 ABI A B I

Q ( )

.

Trong đó, ABlà hệ số Peltier cho cặp nhiệt điện tạo ra từ hai vật liệu A và B. A(B) là hệ số Peltier tương ứng của vật liệu A (B).

 thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu. Bán dẫn loại P thường có hệ số Peltier dương cỡ 550K, còn bán dẫn loại N thường có hệ số Peltier âm. Hệ số Peltier giúp xác định độ lớn dòng nhiệt ứng với mỗi đơn vị hạt tải chạy qua vật liệu.

Các cặp nhiệt điện đơn lẻ có thể được mắc nối tiếp với nhau nhằm tăng cường hiệu ứng. Hiệu ứng tăng cường này sẽ được sử dụng như một bơm nhiệt, ứng dụng vào các lĩnh vực cần thay đổi nhiệt độ trong cuộc sống.

Hiệu ứng Thomson

Hiệu ứng Thomson đã được dự đoán và chứng minh bởi nhà vật lý học Lord Kelvin vào năm 1851. Hiệu ứng này giải thích sự nóng lên hoặc lạnh đi khi một vật dẫn có dòng điện chạy qua với một gradient nhiệt độ.

Bất kỳ một vật dẫn có dòng điện chạy qua nào (bao gồm cả vật liệu siêu dẫn) khi áp dụng một chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm sẽ hấp thụ hoặc phát nhiệt tùy thuộc vào vật liệu của vật dẫn. Nếu mật độ dòng điện J chạy qua một vật dẫn đồng nhất thì lượng nhiệt q sinh ra theo mỗi đơn vị thể tích sẽ được tính theo biểu thức sau:

dx dT J J q 2 Trong đó:

+  là điện trở suất của vật liệu. +

dx dT

là gradient nhiệt dọc theo vật dẫn.

+  là hệ số Thomson.

Số hạng đầu tiên của biểu thức là nhiệt theo Joule (có dấu không phụ thuộc vào dấu của J), số hạng thứ hai của biểu thức là nhiệt theo Thomson (có dấu phụ thuộc vào dấu của J).

Với các kim loại (như kẽm hoặc đồng) nhiệt độ sẽ tỉ lệ thuận với điện thế khi dòng điện chạy từ mặt nóng sang mặt lạnh sẽ sinh ra nhiệt độ và đây là hiệu ứng Thomson dương. Ngược lại, các kim loại như côban, niken, sắt có nhiệt độ tỉ lệ nghịch với điện thế khi dòng điện chạy từ mặt nóng sang mặt lạnh sẽ hấp thụ nhiệt độ và đây là hiệu ứng Thomson âm.

Hệ số Thomson trên toàn dải nhiệt độ của vật liệu được xác định bởi mối quan hệ giữa giá trị tuyệt đối của các hệ số Peltier và Seebeck. Chỉ cần xác định giá trị này với một vật liệu, các vật liệu khác được xác định bằng cách gắn vật liệu này với vật liệu khác cần đo thành cặp nhiệt điện.

Vật liệu Chì có hệ số Thomson là 0, trong thực tế nó thường khác 0, tuy vậy giá trị này cũng vô cùng nhỏ. Còn các vật liệu siêu dẫn thì hệ số này bằng 0.

Hệ thức Thomson

Hệ số Thomson là duy nhất trong số ba hệ số nhiệt điện bởi chỉ có hệ số này mới có thể được đo đạc trực tiếp tương ứng với mỗi vật liệu riêng biệt. Còn hệ số Peltier hay hệ số Seebeck chỉ có thể được xác định khi có một cặp vật liệu. Do vậy, không tồn tại phương pháp nào giúp xác định các hệ số Peltier hay Seebeck ứng với mỗi vật liệu riêng biệt. Vào năm 1854, Lord Kelvin đã tìm ra được mối liên hệ giữa các hệ số này, ngụ ý rằng chỉ cố một trong số ba hệ số được coi là duy nhất.

Hệ thức đầu tiên của Thomson là:

dS T

 

Trong đó:

+ T là nhiệt độ tuyệt đối. +  là hệ số Thomson. + S là hệ số Seebeck.

Hệ thức thứ hai của Thomson là:

S.T

Trong đó:

+  là hệ số Peltier. + T là nhiệt độ tuyệt đối. + S là hệ số Seebeck.

Điểm đặc biệt ở hệ thức này là nó được Thomson dự đoán trước cả khi công trình khoa học của ông được công nhận.