Hiệu ứng nhiệt điện Seebeck, Peltier và Thomson

Hoạt động của tủ lạnh nhiệt điện và máy phát điện dựa trên hiện tượng nhiệt điện. Chúng bao gồm các hiệu ứng Seebeck, Peltier và Thomson. Những hiệu ứng này có liên quan đến cả việc chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng lạnh.

Tính chất nhiệt điện của dây dẫn là do mối liên hệ giữa nhiệt và dòng điện:

• Hiệu ứng Seebeck - sự xuất hiện nhiệt điện từ trong một chuỗi dây không đồng đều, ở các nhiệt độ khác nhau của các phần của nó;
• Hiệu ứng Peltier — sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt khi tiếp xúc của hai dây dẫn khác nhau khi có dòng điện một chiều chạy qua chúng;
• Hiệu ứng Thomson — sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt (siêu Joule) trong thể tích của một vật dẫn khi đi qua một cực, dòng điện khi có sự chênh lệch nhiệt độ.

Hiệu ứng Seebeck, Peltier và Thompson nằm trong số các hiện tượng động học. Chúng có liên quan đến các quá trình chuyển động của điện tích và năng lượng, vì vậy chúng thường được gọi là hiện tượng chuyển giao.Các dòng điện tích và năng lượng có hướng trong tinh thể được tạo ra và duy trì bởi các ngoại lực: điện trường, gradien nhiệt độ.

Dòng chuyển động có hướng của các hạt (đặc biệt là các hạt mang điện — điện tử và lỗ trống) cũng xảy ra với sự có mặt của gradient nồng độ của các hạt này. Bản thân từ trường không tạo ra các dòng điện tích hoặc năng lượng có hướng, nhưng nó ảnh hưởng đến các dòng được tạo ra bởi các tác động bên ngoài khác.

Hiệu ứng Seebekov

Hiệu ứng Seebeck là nếu trong một mạch điện hở bao gồm nhiều dây dẫn khác nhau, một trong các tiếp điểm duy trì nhiệt độ T1 (điểm nối nóng) và nhiệt độ còn lại là T2 (điểm nối lạnh), thì trong điều kiện T1 không bằng T2 ở hai đầu mạch xuất hiện suất điện động nhiệt điện E. Khi đóng các tiếp điểm lại thì trong mạch xuất hiện dòng điện.

Hiệu ứng Seebekov:

Khi có sự chênh lệch nhiệt độ trong vật dẫn, dòng khuếch tán nhiệt của các hạt mang điện xảy ra từ đầu nóng sang đầu lạnh. Nếu mạch điện hở, thì các hạt tải điện tích tụ ở đầu lạnh, tích điện âm nếu đây là các electron và tích điện dương trong trường hợp lỗ trống dẫn điện. Trong trường hợp này, điện tích ion không bù vẫn ở đầu nóng.

Điện trường sinh ra làm chậm chuyển động của các hạt tải điện về phía đầu lạnh và tăng tốc chuyển động của các hạt tải điện về phía đầu nóng. Hàm phân bố không cân bằng được hình thành do gradient nhiệt độ thay đổi dưới tác động của điện trường và bị biến dạng ở một mức độ nào đó. Phân phối kết quả sao cho dòng điện bằng không. Cường độ của điện trường tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ gây ra nó.

Giá trị của hệ số tỷ lệ và dấu của nó phụ thuộc vào tính chất của vật liệu. Có thể phát hiện trường Seebeck điện và đo lực nhiệt điện động chỉ trong một mạch bao gồm các vật liệu khác nhau. Sự khác biệt trong các điểm tiếp xúc tiềm năng tương ứng với sự khác biệt về tiềm năng hóa học của các vật liệu tiếp xúc.

hiệu ứng Peltier

Hiệu ứng Peltier là khi dòng điện một chiều đi qua cặp nhiệt điện gồm hai dây dẫn hoặc chất bán dẫn, một lượng nhiệt nhất định được giải phóng hoặc hấp thụ tại điểm tiếp xúc (tùy thuộc vào hướng của dòng điện).

Khi các electron di chuyển từ vật liệu loại p sang vật liệu loại n thông qua tiếp xúc điện, chúng phải vượt qua rào cản năng lượng và lấy năng lượng từ mạng tinh thể (điểm nối lạnh) để làm như vậy. Ngược lại, khi chuyển từ vật liệu loại n sang vật liệu loại p, các electron sẽ tặng năng lượng cho mạng tinh thể (điểm nối nóng).

Hiệu ứng Peltier:

hiệu ứng Thomson

Hiệu ứng Thomson là khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc chất bán dẫn trong đó độ dốc nhiệt độ được tạo ra, ngoài nhiệt Joule, một lượng nhiệt nhất định được giải phóng hoặc hấp thụ (tùy thuộc vào hướng của dòng điện).

Nguyên nhân vật lý của hiệu ứng này liên quan đến thực tế là năng lượng của các electron tự do phụ thuộc vào nhiệt độ. Sau đó, các electron thu được năng lượng cao hơn trong hợp chất nóng so với trong hợp chất lạnh. Mật độ của các electron tự do cũng tăng khi nhiệt độ tăng, dẫn đến dòng electron từ đầu nóng sang đầu lạnh.

Điện tích dương tích tụ ở đầu nóng và điện tích âm ở đầu lạnh. Sự phân bố lại các điện tích ngăn chặn dòng điện tử và, ở một hiệu điện thế nhất định, nó dừng hoàn toàn.

Các hiện tượng được mô tả ở trên xảy ra theo cách tương tự trong các chất có lỗ dẫn điện, với sự khác biệt duy nhất là điện tích âm tích tụ ở đầu nóng và các lỗ tích điện dương ở đầu lạnh. Do đó, đối với các chất có độ dẫn hỗn hợp, hiệu ứng Thomson hóa ra là không đáng kể.

Hiệu ứng Thomson:

Hiệu ứng Thomson chưa tìm thấy ứng dụng thực tế, nhưng nó có thể được sử dụng để xác định loại độ dẫn tạp chất của chất bán dẫn.

Ứng dụng thực tế của hiệu ứng Seebeck và Peltier

Hiện tượng nhiệt điện: Hiệu ứng Seebeck và Peltier — tìm thấy ứng dụng thực tế trong chuyển đổi nhiệt không dùng máy thành năng lượng điện — máy phát nhiệt điện (TEG), trong máy bơm nhiệt — thiết bị làm mát, bộ ổn nhiệt, máy điều hòa không khí, trong các hệ thống đo lường và điều khiển như cảm biến nhiệt độ, dòng nhiệt (xem — bộ chuyển đổi nhiệt điện).

Trung tâm của các thiết bị nhiệt điện là các phần tử bán dẫn đặc biệt - đầu dò (các phần tử nhiệt, mô-đun nhiệt điện), chẳng hạn như TEC1-12706. Đọc thêm tại đây: Phần tử Peltier - cách thức hoạt động và cách kiểm tra và kết nối