Nhiệt điện—Khám phá, Cơ sở Vật lý và Ứng dụng

Lịch sử khám phá

Truyền thuyết kể rằng những ghi chép đầu tiên về nhiệt điện được thực hiện bởi nhà triết học và thực vật học Hy Lạp cổ đại Theophrastus vào năm 314 trước Công nguyên. Theo những ghi chép này, Theophrastus đã từng nhận thấy rằng các tinh thể của khoáng chất tourmaline khi được nung nóng bắt đầu thu hút các mảnh tro và rơm. Rất lâu sau đó, vào năm 1707, hiện tượng nhiệt điện được phát hiện lại bởi thợ khắc người Đức Johann Schmidt.

Có một phiên bản khác, theo đó việc phát hiện ra nhiệt điện được cho là của nhà triết học và du khách Hy Lạp cổ đại nổi tiếng Thales of Miletus, người, theo phiên bản này, đã phát hiện ra vào đầu thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên. N. E. Đi du lịch đến các nước phía đông, Thales đã ghi chú về khoáng chất và thiên văn học.

Bằng cách nghiên cứu khả năng thu hút ống hút của hổ phách cọ xát trở xuống, ông đã có thể giải thích một cách khoa học hiện tượng nhiễm điện do ma sát. Plato sau đó sẽ mô tả câu chuyện này trong cuộc đối thoại Timaeus.Sau Plato, vào thế kỷ thứ 10, nhà triết học người Ba Tư Al-Biruni trong tác phẩm "Khoáng vật học" đã mô tả các tính chất tương tự của tinh thể garnet.

Mối liên hệ giữa nhiệt điện của tinh thể và các hiện tượng điện tương tự khác đã được chứng minh và phát triển vào năm 1757, khi Franz Epinus và Johann Wilke bắt đầu nghiên cứu sự phân cực của một số vật liệu khi chúng cọ xát với nhau.

Sau 127 năm, nhà vật lý người Đức August Kundt sẽ trình diễn một thí nghiệm sống động, trong đó ông sẽ nung nóng một tinh thể tourmaline và đổ nó qua một cái rây với hỗn hợp chì đỏ và bột lưu huỳnh. Lưu huỳnh sẽ tích điện dương và chì đỏ tích điện âm, dẫn đến chì đỏ cam có màu một mặt của tinh thể tourmaline và mặt còn lại được phủ một màu xám vàng sáng. Sau đó, August Kund làm lạnh tourmaline, "cực" của tinh thể thay đổi và màu sắc đổi chỗ cho nhau. Khán giả rất vui mừng.

Bản chất của hiện tượng là khi nhiệt độ của tinh thể tourmaline chỉ thay đổi 1 độ, một điện trường khoảng 400 volt trên cm sẽ xuất hiện trong tinh thể. Lưu ý rằng tourmaline, giống như tất cả các chất nhiệt điện, đều là áp điện (nhân tiện, không phải tất cả áp điện đều là hỏa điện).

cơ sở vật chất

Về mặt vật lý, hiện tượng nhiệt điện được định nghĩa là sự xuất hiện điện trường trong tinh thể do sự thay đổi nhiệt độ của chúng. Sự thay đổi nhiệt độ có thể do nung nóng trực tiếp, ma sát hoặc bức xạ. Những tinh thể này bao gồm các chất điện môi có sự phân cực tự phát (tự phát) khi không có các tác động bên ngoài.

Sự phân cực tự phát thường không được chú ý vì điện trường mà nó tạo ra bị bù trừ bởi điện trường của các điện tích tự do do không khí xung quanh và phần lớn tinh thể tác dụng lên tinh thể. Khi nhiệt độ của tinh thể thay đổi, cường độ phân cực tự phát của nó cũng thay đổi, dẫn đến sự xuất hiện của điện trường, được quan sát thấy trước khi xảy ra hiện tượng bù với các điện tích tự do.

Sự thay đổi trong sự phân cực tự phát của chất nhiệt điện có thể được bắt đầu không chỉ bằng sự thay đổi nhiệt độ của chúng mà còn bằng sự biến dạng cơ học. Đó là lý do tại sao tất cả các hiện tượng hỏa điện cũng là áp điện, nhưng không phải tất cả các áp điện đều là hỏa điện Sự phân cực tự phát, tức là sự không tương ứng của trọng tâm của các điện tích âm và dương bên trong tinh thể, được giải thích là do tính đối xứng tự nhiên thấp của tinh thể.

Ứng dụng của nhiệt điện

Ngày nay, hỏa điện được sử dụng làm thiết bị cảm biến cho nhiều mục đích khác nhau, như một phần của máy thu và máy dò bức xạ, nhiệt kế, v.v. Tất cả các thiết bị này đều khai thác một thuộc tính quan trọng của nhiệt điện—bất kỳ loại bức xạ nào tác động lên mẫu đều gây ra sự thay đổi nhiệt độ của mẫu và sự thay đổi tương ứng về độ phân cực của mẫu. Nếu trong trường hợp này, bề mặt của mẫu được bao phủ bởi các điện cực dẫn điện và các điện cực này được nối với mạch đo bằng dây dẫn, thì một dòng điện sẽ chạy qua mạch này.

Và nếu có một luồng bất kỳ loại bức xạ nào ở đầu vào của bộ biến đổi nhiệt điện, gây ra sự dao động nhiệt độ của nhiệt điện (ví dụ, tính chu kỳ thu được bằng cách điều chế nhân tạo cường độ bức xạ), thì dòng điện là thu được ở đầu ra, cũng thay đổi theo một tần số nhất định.

Ưu điểm của máy dò bức xạ nhiệt điện bao gồm: dải tần số bức xạ được phát hiện rộng vô hạn, độ nhạy cao, tốc độ cao, ổn định nhiệt. Việc sử dụng các máy thu nhiệt điện trong vùng hồng ngoại đặc biệt hứa hẹn.

Chúng thực sự giải quyết được vấn đề phát hiện các dòng năng lượng nhiệt công suất thấp, đo công suất và hình dạng của các xung laser ngắn, cũng như đo nhiệt độ không tiếp xúc và tiếp xúc có độ nhạy cao (với độ chính xác vi độ).

Ngày nay, khả năng sử dụng hỏa điện để chuyển đổi trực tiếp năng lượng nhiệt thành năng lượng điện đang được thảo luận nghiêm túc: một luồng năng lượng bức xạ xen kẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều trong mạch ngoài của phần tử hỏa điện. Và mặc dù hiệu quả của một thiết bị như vậy thấp hơn so với các phương pháp chuyển đổi năng lượng hiện có, nhưng đối với một số ứng dụng đặc biệt, phương pháp chuyển đổi này hoàn toàn có thể chấp nhận được.

Khả năng sử dụng hiệu ứng nhiệt điện đã được sử dụng để trực quan hóa sự phân bố không gian của bức xạ trong các hệ thống hình ảnh hồng ngoại (tầm nhìn ban đêm, v.v.) đặc biệt hứa hẹn. Đã tạo ra các vidicon nhiệt điện - ống truyền hình truyền nhiệt với mục tiêu nhiệt điện.

Hình ảnh của một vật thể ấm được chiếu lên một mục tiêu, tạo ra trên đó sự giảm điện tích tương ứng, được đọc bởi một chùm điện tử quét. Điện áp được tạo ra bởi dòng điện của chùm tia điện tử kiểm soát độ sáng của chùm tia vẽ hình ảnh của vật thể trên màn hình.