Hiện tượng nhiệt điện là gì? Hiện tượng siêu dẫn là gì?

1. Hiện tượng nhiệt điện là gì? 

Hiện tượng nhiệt điện là gì?” là câu hỏi mô tả sự xuất hiện của sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu vật kim loại hoặc hợp kim trong một mạch điện kín dẫn đến sự sinh ra của suất điện động nhiệt điện. Để trình bày một cách không dính đạo văn, bạn có thể sửa lại đoạn văn như sau:

“Hiện tượng nhiệt điện là gì? Nó xuất hiện khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa hai đầu của một mạch điện kín, chẳng hạn như giữa hai đoạn dây dẫn kim loại hoặc hợp kim. Để diễn giải đơn giản, hiện tượng này dẫn đến sự phát sinh dòng điện trong mạch khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây dẫn.

Để giúp bạn hiểu rõ hơn về hiện tượng này, chúng tôi sẽ chia sẻ một thí nghiệm vật lý liên quan đến nhiệt điện.

Để thấu hiểu sâu hơn về hiện tượng nhiệt điện, chúng ta sẽ thực hiện một thí nghiệm đơn giản. Trong thí nghiệm này, chúng ta sử dụng một mô tơ cánh quạt chạy bằng điện 1 chiều và hai thanh kim loại. Trước hết, chúng ta đặt hai thanh kim loại này vào hai cốc khác nhau, một cốc chứa không khí và một cốc chứa nước. Khi thực hiện thí nghiệm này, chúng ta không thấy bất kỳ sự thay đổi nào (cánh quạt không quay), điều này cho thấy không có dòng điện nào được tạo ra trong mạch điện.

Tiếp theo, chúng ta đổ nước có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn nước trong cốc đầu tiên vào cốc chứa không khí. Sau một thời gian, chúng ta sẽ thấy cánh quạt bắt đầu quay. Điều này chứng tỏ rằng bên trong mạch điện đã xuất hiện dòng điện.

Chúng ta có thể tiếp tục thay đổi nhiệt độ của hai cốc nước và tiếp tục quan sát. Dễ dàng nhận thấy rằng cánh quạt quay nhanh hơn khi chênh lệch nhiệt độ giữa hai thanh kim loại lớn hơn. Điều này chỉ ra rằng độ mạnh của dòng điện sinh ra trong mạch phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ của hai thanh kim loại.

Kết quả của thí nghiệm này là sự xuất hiện của dòng điện trong mạch, và đây chính là hiện tượng nhiệt điện. Dòng điện này được tạo ra do sự phát sinh suất điện động nhiệt điện.

Trong thí nghiệm, một hiện tượng vật lý được quan sát là:

Khi có sự chênh lệch về nhiệt độ trong một mạch đóng, dòng điện xuất hiện tự nhiên trong mạch. Điều này được gọi là hiện tượng nhiệt điện. Lý do cho hiện tượng này là khi nhiệt độ của vật dẫn thay đổi, mật độ của các hạt mang điện trong vật dẫn cũng thay đổi tương ứng. Vùng có nhiệt độ cao hơn sẽ có mật độ hạt mang điện lớn hơn so với vùng có nhiệt độ thấp hơn. Kết quả là, các hạt mang điện di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao hơn đến vùng có nhiệt độ thấp hơn, tạo ra sự chênh lệch về điện thế giữa hai đầu của vật dẫn. Khi ta kết nối vật dẫn này trong một mạch đóng, sẽ xuất hiện một suất điện động nhiệt điện và dòng điện sẽ được tạo ra, có thể sử dụng để cung cấp năng lượng, ví dụ như làm quạt quay.

2. Ví dụ về Hiện tượng nhiệt điện và hướng dẫn lời giải:

Ví dụ 1: Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động α_T = 6,5 μV/K được đặt trong không khí ở t₁ = 20^o C, còn đầu kia được nung nóng ở nhiệt độ t₂.

a) Tìm suất điện động nhiệt điện khi t₂ = 200^oC

b) Để suất điện động nhiệt điện là 2,6 mV thì nhiệt độ t₂ là bao nhiêu?

Hướng dẫn:

a) Suất điện động nhiệt điện khi t₂ = 200^oC:

E = α_T(T₂ – T₁) = 6,5(200 – 20) = 1170(μV) = 1,17(mV)

b) Ta có: E = α_T(T₂ – T₁) = α_T (t^o₂ – t^o₁)

Ví dụ 2: Một mối hàn của cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động α_T = 65 μV/K được đặt trong không khí ở 20^oC, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ 320^oC. Tính suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện đó.

Hướng dẫn:

Đáp án: E = α_T(T₂ – T₁) = 0,0195 V.

Ví dụ 3: Một mối hàn của cặp nhiệt điện nhúng vào nước đá đang tan, mối hàn kia được nhúng vào hơi nước sôi. Dùng milivôn kế đo được suất nhiệt điện động của cặp nhiệt điện là 4,25 mV. Tính hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện đó.

Hiệu ứng nhiệt điện, còn được gọi là hiệu ứng Peltier-Seebeck, là quá trình chuyển đổi nhiệt năng trực tiếp thành điện năng và ngược lại, xảy ra trên một kết nối điện giữa hai vật dẫn điện. Đơn giản hóa, nếu có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa hai bên kết nối, sẽ tạo ra một hiệu điện thế, và ngược lại, nếu có sự chênh lệch về điện năng giữa hai bên, sẽ tạo ra nhiệt năng ở giữa chúng.

Hiệu ứng nhiệt điện được khám phá lần đầu vào năm 1834 bởi nhà vật lý người Pháp, Jean Charles Athanase Peltier. Ông đã nối một dây bismuth với một dây đồng và sử dụng một nguồn điện để tạo ra một mạch điện kín. Ông đã nhận thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt, một mặt là lạnh và mặt còn lại trở nên nóng hơn.

Nếu chúng ta đặt mặt lạnh này vào bên trong một chiếc hộp kín, thì chiếc hộp đó sẽ biến thành một cái tủ lạnh. Một trong những ưu điểm lớn nhất của hiệu ứng này là khả năng làm lạnh các thiết bị mà không cần sử dụng máy nén khí, van tiết lưu và các thiết bị khác. Tuy nhiên, công suất làm lạnh của nó không cao.

Ví dụ 4: Nhiệt kế điện thực chất là một cặp nhiệt điện dùng để đo nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp mà ta không thể dùng nhiệt kế thông thường để đo được. Dùng nhiệt kế điện có hệ số nhiệt điện động α_T = 42 μV/K để đo nhiệt độ của một lò nung với một mối hàn đặt trong không khí ở 20^oC còn mối hàn kia đặt vào lò thì thấy milivôn kế chỉ 50,2 mV. Tính nhiệt độ của lò nung.

Hướng dẫn:

Đáp án: E = α_T(T₂ – T₁) → T₂ = 1488 K = 1215^o C.

3. Bài tập nâng cao về Hiện tượng nhiệt điện:

Bài 1. Một mối hàn của một cặp nhiệt điện có hệ số nhiệt điện động là 32,4 μV/K được đặt trong không khí, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ 330^oC thì suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện này có giá trị là 10,044 mV.

a) Tính nhiệt độ của đầu mối hàn trong không khí.

b) Để suất nhiệt động nhiệt điện có giá trị 5,184 mV thì phải tăng hay giảm nhiệt độ của mối hàn đang nung một lượng bao nhiêu ?

Lời giải:

a) Ta có: E = α_T(T₂ – T₁) = α_T(t^o₂ – t^o₁)

b) Ta có: E = α_T(T₂ – T₁) = α_T(t^o₂ – t^o₁)

   + Vậy phải giảm nhiệt độ mối hàn nung nóng một lượng là: Δt^o = 330^o – 180^o = 150^o

Bài 2. Cặp nhiệt điện Sắt – Constantan có hệ số nhiệt điện động α_T = 50,4 μV/K và điện trở trong r = 0,5Ω. Nối cặp nhiệt điện này với điện kế G có điện trở R_G = 19,5 Ω. Đặt mối hàn thứ nhất vào trong không khí ở nhiệt t1 = 27^oC, nhúng mối hàn thứ hai vào trong bếp điện có nhiệt độ 327^oC. Cường độ dòng điện chạy qua điện kế G là

Lời giải:

   + Suất nhiệt điện động: E_T = α_T|T₂ – T₁| = 50,4(327 – 27) = 15120(μV) = 15,12(mV)

   + Dòng điện qua điện kế:

Cặp nhiệt điện trong tiếng Anh được tạo ra từ từ hai từ gốc: “thermo,” có nghĩa là “nhiệt,” và “couple,” biểu thị cho sự kết nối hoặc ghép lại của hai thành phần. Vì vậy, chúng ta có thể hiểu rằng cặp nhiệt điện đại diện cho việc kết nối hai nguồn nhiệt.

Thường thì, một cặp nhiệt điện bao gồm hai dây kim loại khác nhau, mỗi dây được làm từ một kim loại hoặc hợp kim cụ thể. Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầu, tạo ra một điểm đo. Điểm này thường được gọi là điểm nóng, do nhiệt độ tại đây thường cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh. Hai đầu còn lại của hai dây được kết nối với một thiết bị đo để tạo ra một mạch đóng để cho phép dòng điện chạy qua. Thiết bị đo này sẽ đo mức điện áp tại điểm nối và sau đó chuyển đổi nó thành giá trị tương ứng về nhiệt độ.

Bài 3. Hai dây dẫn có hệ số nhiệt điện trở α₁, α₂ ở 0^oC có điện trở R₀₁, R₀₂. Tìm hệ số nhiệt điện trở chung của hai dây khi chúng mắc:

a) Nối tiếp.

b) Song song.

Lời giải:

Điện trở 2 dây dẫn ở nhiệt độ t: R₁ = R₀₁(1 + α₁t); R₂ = R₀₂(1 + α₂t) (với α₁t, α₂t << 1)

Gọi R₀ là điện trở chung của hai dây dẫn ở 0^oC; α là hệ số nhiệt điện trở chung của hai dây dẫn. Điện trở chung của hai dây dẫn ở nhiệt độ t là: R = R₀(1 + αt) (1)

a) Khi mắc nối tiếp: R = R₁ + R₂ = R₀₁(1 + α₁t) + R₀₂(1 + α₂t)

⇒ R = (R₀₁ + R₀₂) + (R₀₁α₁ + R₀₂α₂)t

Từ (1) và (2) suy ra:

b) Khi mắc song song:

Với α₁, α₂ << 1, ta có các công thức gần đúng:

nên (1 + α₁t)(1 + α₂t) ≈ 1 + (α₁ + α₂)t

Từ (1) và (3) suy ra:

4. Ứng dụng cặp nhiệt điện:

Cặp nhiệt điện được áp dụng trong việc sản xuất nhiệt kế điện hoặc cảm biến để đo nhiệt độ. Nguyên nhân cho việc cặp nhiệt điện có thể được sử dụng để tạo nhiệt kế điện và cảm biến nhiệt độ là do nguyên tắc hoạt động của chúng. Cụ thể như sau:

Suất điện động được tạo ra bởi cặp nhiệt điện tăng theo sự chênh lệch nhiệt độ, được xác định trong bảng thực nghiệm. Trong quá trình đo, chúng ta đưa một đầu của cặp nhiệt điện vào vị trí mà chúng ta muốn đo nhiệt độ, lúc này, suất điện động nhiệt điện sẽ xuất hiện bên trong cặp nhiệt điện. Dựa trên mức độ suất điện động nhiệt điện được tạo ra, chúng ta có thể xác định nhiệt độ mà chúng ta đang cố gắng đo.

Với điều này, chúng ta có thể thấy ứng dụng chính của cặp nhiệt điện là trong việc đo nhiệt độ. Tuy nhiên, nhiệt kế điện thường được sử dụng đặc biệt trong những nơi có nhiệt độ cao như lò nung, lò hơi, và lò luyện thép.

Ứng dụng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ trong lò nung:

Các lò nung thường hoạt động ở nhiệt độ từ 1300 độ C đến 1600 độ C, vì vậy để đo nhiệt độ trong chúng, cặp nhiệt điện loại S (còn được gọi là can nhiệt sứ hoặc can sứ) thường được chọn.

Ứng dụng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ trong lò hơi:

Lò hơi có môi trường nhiệt độ thường từ 1200 độ C trở xuống, được coi là tương đối “lành” so với cặp nhiệt điện. Vì vậy, để đo nhiệt độ trong lò hơi, người ta thường sử dụng cặp nhiệt điện loại K (còn được gọi là can nhiệt ca hoặc can K).

5. Hiện tượng siêu dẫn là gì?

Bên cạnh hiện tượng nhiệt điện, chúng ta còn có hiện tượng siêu dẫn. Siêu dẫn là một hiện tượng vật lý đặc biệt xảy ra đối với một số loại vật liệu như kim loại hoặc hợp kim khi chúng được đặt trong môi trường có từ trường đủ nhỏ và nhiệt độ đủ thấp để điện trở của chúng giảm về gần 0.

Ưu điểm của vật liệu siêu dẫn bao gồm điện trở gần như bằng 0, cho phép dòng điện trong vật liệu duy trì trong thời gian dài và khả năng tạo ra từ trường cực mạnh.

6. Bài tập vận dụng:

Câu 1 (trang 92 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Nêu nhận xét về sự thay đổi của điện trở của cột thủy ngân ở lân cận nhiệt độ 4 K

Lời giải:

Điện trở của cột thủy ngân ở lân cận nhiệt độ 4K thay đổi đột ngột về không

Câu 1 (trang 93 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Hiện tượng nhiệt điện là gì? Suất điện động nhiệt điện phụ thuộc vào những yếu tố nào ?

Lời giải:

* Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở nhiệt độ khác nhau là hiện tượng nhiệt điện.

Suất điện động nhiệt điện: ℰ = α_T.(T₁ – T₂)

α_T là hệ số nhiệt điện động phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt điện. Đơn vị của α_T là μV/K

* Suất điện động nhiệt điện phụ thuộc vào:

    – Vật liệu làm cặp nhiệt điện

    – Độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện.

Câu 2 (trang 93 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Hãy nêu đặc điểm của các vật liệu siêu dẫn và khả năng ứng dụng của chúng trong kĩ thuật

Lời giải:

* Đăc điểm:

– Khi nhiệt độ càng giảm điện trở suất của kim loại càng giảm liên tục. đến gần 0^o K, điện trở của các kim loại sạch đều rất nhỏ.

– Khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn T_c thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Các vật liệu chuyển sang trạng thái siêu dẫn.

* ứng dụng.

– làm cuộn dây dẫn điện trong nam châm điện=> tạo được từ trường mạnh mà không bị hao phí năng lượng do tỏa nhiệt.

Bài 1 (trang 93 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Câu nào dưới đây nói về hiện tượng nhiệt điện là không đúng?

A. Cặp nhiệt điện gồm hai dây dẫn điện có bản chất khác nhau hàn nối với nhau thành một mạch kín và hai mối hàn của nó được giữ ở hai nhiệt độ khác nhau.

B. Nguyên nhân gây ra suất điện động nhiệt điện là do chuyển động nhiệt của các hạt tải điện trong mạch điện có nhiệt độ không đồng nhất.

C. Suất điện động nhiệt điện E tỉ lệ nghịch với hiệu nhiệt độ (T₁-T₂ ) giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện

D. Suất điện động nhiệt điện E xấp xỉ tỉ lệ thuận với hiệu nhiệt độ (T₁-T₂) giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện.

Lời giải:

Suất điện động nhiệt điện E xấp xỉ tỉ lệ thuận với hiệu nhiệt độ (T₁-T₂) giữa hai mối hàn của cặp nhiệt điện. Do vậy phát biểu C sai.

Đáp án: C

Bài 2 (trang 93 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Chọn đáp số đúng

Một mối hàn của một cặp nhiệt điện có hệ số α_T = 65μV/K được đặt trong không khí ở 20^oC, còn mối hàn kia được nung nóng đến nhiệt độ 232^oC. Suất điện động nhiệt điện của cặp nhiệt điện khi đó là:

A. E = 13,00 mV

B. E = 13,58 mV

C. E = 13,98 mV

D. E = 13,78 mV

Lời giải:

Suất điện động nhiệt điện

ℰ = α_T.(T₁ – T₂ ) = 65.10^-6.(232 – 20) = 13,78.10^-3 V = 13,78 mV

Đáp án: C