Hiệu ứng Seebeck là cơ sở được sử dụng để đo nhiệt độ cho Thermocouple. Điện áp này sẽ đo tại đầu lạnh để có tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ giữa của đầu lạnh và đầu nóng. Để bạn hiểu rõ về Seebeck, dưới đây Xuyên Việt Media đã bật mí thông tin chi tiết nhằm giúp bạn có đáp án chính xác nhất.
Hiệu ứng Seebeck là gì
Hiệu ứng Seebeck là hiện tượng nhiệt điện, trong đó sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của một vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn tạo ra một hiệu điện thế. Được phát hiện bởi Thomas Johann Seebeck vào năm 1821, hiệu ứng này là nền tảng cho các thiết bị nhiệt điện, cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng nhiệt thành điện năng.
Trong một vật thể dẫn điện, một đầu được gọi là đầu nóng và đầu kia được gọi là đầu lạnh. Bạn cần sử dụng sức điện động để tạo ra một điểm nối và qua điểm tham chiếu để suy ra nhiệt độ. Đầu nóng được đặt bên trong một vỏ cảm biến và tiếp xúc với môi trường cần đo nhiệt độ. Đầu lạnh hoặc đầu tham chiếu chính là đầu kết thúc nằm bên ngoài môi trường đó.
Đầu lạnh là nơi nhiệt độ được biết trước và là nơi điện áp được đo. Khi nhiệt độ tăng lên ở đầu nóng, điện áp đo tại đầu lạnh cũng tăng không tuyến tính. Sự tuyến tính của mối quan hệ giữa điện áp và nhiệt độ phụ thuộc vào sự kết hợp của các kim loại được sử dụng để tạo ra thermocouple (cặp nhiệt điện).
Dây dẫn cặp nhiệt điện bao gồm hai dây riêng biệt là dương và âm, kèm theo cách điện bằng màu. Nhìn chung hiệu ứng Seebeck là cơ sở dùng để đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện. Dựa theo hiệu ứng này, điện áp đo tại đầu lạnh sẽ tỷ lệ thuận với sự khác biệt về nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh. Điện áp này sẽ được gọi là điện áp Seebeck, sức điện động nhiệt điện, điện áp nhiệt điện.
Lịch sử phát triển của hiệu ứng Seebeck
Hiệu ứng Seebeck được đặt theo tên nhà vật lí người Đức Thomas Johann Seebeck (1770-1831), năm 1826 ông đã công bố kết quả những thí nghiệm mà ông đã thực hiện bốn năm trước đó. Qua đó lĩnh vực nhiệt điện mới đã chính thức mở ra một chương mới. Ông quan sát và thấy rằng một dòng điện xuất hiện trong một dãy mạch của hai kim loại khác nhau, khi mà điều kiện các nút giao giữa hai kim loại ở nhiệt độ khác nhau. Do hiệu ứng Seebeck dây dẫn cặp nhiệt điện sẽ có cực phân cực vì thế dây dương và dây âm phải được nối với các đầu cuối chính xác.
Các nghiên cứu khoa học về hiệu ứng Seebeck
1. Mối quan hệ giữa hiệu ứng Seebeck và Peltier
Một nghiên cứu gần đây đã đánh giá mối liên hệ giữa hiệu ứng Seebeck và Peltier trong các mô-đun nhiệt điện dạng tấm sử dụng kim loại Fe và Al. Hệ số Seebeck được ước tính từ các đặc tính dòng điện–điện áp ở chênh lệch nhiệt độ dưới 50 K, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách hai hiệu ứng này tương tác trong các thiết bị nhiệt điện.
2. Hiệu ứng Seebeck trong vật liệu spin
Nghiên cứu về hiệu suất nhiệt điện của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Seebeck spin trong hệ thống nối Fe₃O₄/Pt đã được thực hiện. Nghiên cứu này khám phá hai loại hình học thiết bị: một nhiệt điện spin Hall và các cấu trúc đa lớp Seebeck spin, mở rộng tiềm năng ứng dụng của hiệu ứng Seebeck trong lĩnh vực spintronics.
3. Tăng cường hiệu ứng Seebeck bằng ánh sáng
Một nghiên cứu đã đề xuất rằng việc chiếu sáng tia UV có thể tăng cường hệ số Seebeck của màng polymer nhiệt điện dẫn điện cao. Cơ chế này liên quan đến việc kích thích electron từ dải hóa trị lên dải dẫn của TiO₂ và chuyển electron từ dải dẫn của TiO₂ vào PEDOT:PSS, làm tăng hệ số Seebeck của vật liệu.
4. Hiệu ứng Seebeck hạt nhân
Một nghiên cứu đã báo cáo về hiệu ứng Seebeck do spin hạt nhân trong vật liệu MnCO₃ có trật tự từ tính. Hiệu ứng nhiệt điện này xuất hiện ở nhiệt độ thấp đến 100 mK, mở ra hướng nghiên cứu mới về hiệu ứng nhiệt điện ở nhiệt độ siêu thấp.
Ứng dụng thực tiễn của hiệu ứng Seebeck
Ngày nay hiệu ứng Seebeck được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày. Ví dụ như máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia laze, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ. Bên cạnh đó hiệu ứng còn có một số ứng dụng thực tiễn như:
- Máy bay bay đập cánh như côn trùng.
- Cơ nhân tạo.
- Cánh máy bay biến đổi hình dạng.
- Phòng triệt tiêu âm thanh.
- Máy in.
- Động cơ piezo.
- Lò hơi.
- Tuabin hơi.
- Máy phát điện.
- Máy phát điện nhiệt điện (TEG): Sử dụng trong các sứ mệnh không gian như Voyager và Cassini để chuyển đổi nhiệt từ nguồn phóng xạ thành điện năng.
- Cảm biến nhiệt độ: Ứng dụng trong các cảm biến nhiệt độ chính xác, như cặp nhiệt điện, để đo nhiệt độ dựa trên hiệu điện thế sinh ra từ chênh lệch nhiệt độ.
- Hệ thống làm mát: Sử dụng hiệu ứng Peltier, là hiệu ứng ngược của Seebeck, để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ khi áp dụng dòng điện, ứng dụng trong các thiết bị làm mát nhỏ như tủ lạnh mini.
Ưu điểm và nhược điểm của hiệu ứng Seebeck
Nhìn chung hiệu ứng này thường xảy ra trong cặp nhiệt điện có kích thước nhỏ, chắc chắn và tiện lợi sử dụng. Để bạn hiểu rõ hơn về hiệu ứng Seebeck cũng như cặp nhiệt điện – thiết bị được dùng phổ biến ở lĩnh vực điện lực. Dưới đây chúng tôi đã tổng hợp lại một số ưu điểm và nhược điểm của hiệu ứng này:
Ưu điểm của hiệu ứng Seebeck
- Hoạt động tại cặp nhiệt điện, một vật dụng có kích thước vô cùng nhỏ.
- Nguyên lý hoạt động chính xác, tiện lợi và linh hoạt.
- Điểm cộng là có thể tái sản xuất, giá thành phải chăng.
- Điện áp mà hiệu ứng Seebeck và cặp nhiệt điện tạo ra độc lập với chiều dài và đường kính dây đa dạng.
- Cấu tạo cặp nhiệt điện có thành phần platinum nên hiệu ứng Seebeck và cảm biến đo nhiệt độ có thể chịu được sức nóng cao.
- Độ bền khi hoạt động rất tốt, ít khi hỏng hóc.
Nhược điểm của hiệu ứng Seebeck
- Nhược điểm lớn nhất của hiệu ứng Seebeck là tín hiệu ra nhỏ.
- Xuất hiện tình trạng nhiễu điện và bị giới hạn khi ứng dụng dải đo tương đối rộng.
- Dãy đo nhiệt độ các loại can nhiệt cao nhưng độ nhạy và độ chính xác không cao, có sai số dao động 0.2 -0.25%.
Những lưu ý khi sử dụng hiệu ứng Seebeck và cặp nhiệt điện
Trong quá trình sử dụng cặp nhiệt điện và hiệu ứng Seebeck, chắc chắn sẽ xảy ra một số vấn đề khiến bạn chưa biết sử dụng như thế nào cho chính xác. Lúc này hãy tuyệt đối lưu ý những vấn đề sau:
- Kết nối cặp nhiệt điện: Việc kết nối với cặp nhiệt điện mà sử dụng các loại cáp không phù hợp kém chất lượng cũng làm cho các loại cảm biến nhiệt độ công nghiệp này bị lỗi.
- Cách đấu dây không đúng: Đấu dây không đúng dẫn đến thiết bị đo không hoạt động.
- Chọn sai loại cặp nhiệt điện: Chính vì hiện tượng lượng nhiệt luôn cao thấp thất thường cho nên chúng ta mới cần đến các loại đầu dò nhiệt dây dò nhiệt để hỗ trợ trong việc kiểm soát lượng nhiệt tùy vào các khu khác nhau. Vì vậy nếu không biết cách chọn lựa thì chắc chắn bạn sẽ là hư hỏng thiết bị đo.
>> Marcom là gì
Lời kết
Mong rằng bài viết này đã giúp bạn hiểu thêm về khái niệm cũng như tính ứng dụng thực tiễn của hiệu ứng Seebeck. Nếu bạn thấy nội dung hữu ích thì chia sẻ rộng rãi để bạn bè và người quen cùng được biết nhé.
