Thiết bị nhiệt điện hoạt động ra sao?

Nhiệt điện mà tôi đề cập ở đây không phải là những phát điện chạy bằng than đốt như mọi người hay nghĩ khi nhắc tới nhiệt điện. Nhiệt điện ở đây là một hiện tượng vật lý rất thú vị và hấp dẫn. Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn làm một dụng cụ để kiểm tra hiện tượng nhiệt điện này đơn giản và nhanh chóng.

Nhiệt điện đang là một lĩnh vực nghiên cứu rất nóng hiện nay trong cả hàn lâm lẫn ứng dụng công nghiệp. Đó là những thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp bất cứ nhiệt thải công nghiệp nào thành dạng năng lượng điện. Về cơ bản, những thiết bị nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng vật lý này được lấy tên theo tên của nhà khoa học Đức Thomas Johann Seebeck (1780–1831), người đâu tiên phát hiện ra hiện tượng nhiệt điện năm 1821. Giờ tôi sẽ giới thiệu một thực nghiệm nhỏ để nhanh chóng kiểm tra hiệu ứng Seebeck, tôi nghĩ ai cũng có thể làm lại một thực nghiệm như thế. Mô hình thí nghiệm này được Thomas B. Greenslade Jr. thiết kế, nó dựa trên ý tưởng gốc của Thomas Johann Seebeck.

Thiết kế một thiết bị nhiệt điện đơn giản:

TE thi nghiem
Hình 1. Một thiết bị nhiệt điện đơn giản [1].
Những gì các bạn cần chuẩn bị là:

  • 1 thanh đồng với chiều rộng khoảng 4 cm và được uốn thành hình chữ U như trong hình 1.
  • 1 thanh nhôm có chiều dài khoảng 20 cm.
  • 1 la bàn nhạy.

Sau khi chuẩn bị hết các thiết bị trên, các bạn hãy thiết kế một thiết bị nhiệt điện đơn giản giống như trong hình 1.

Quan sát hiệu ứng Seebeck:

TE thi nghiem 2
Hình 2. Quan sát hiệu ứng Seebeck [2].
Để quan sát hiệu ứng Seebeck nó rất đơn giản, bạn cần cung cấp nhiệt độ thấp ở một đầu của thiết bị trong hình 1, trong khi đầu còn lại ở nhiệt độ cao hơn. Cách đơn giản nhất được mô tả như trong hình 2. Các bạn nhúng hai đầu của thiết bị trong hình 1 vào hai cốc nước, trong đó một cốc nước là nước đá, còn cốc nước còn lại là nước sôi (hoặc các bạn có thể thay bằng một ngọn nến đang cháy để cung cấp nhiệt nóng). Sau đó các bạn quan sát hướng của kim la bàn. Các bạn sẽ thấy kim la bàn sẽ bị lệch khoảng 45 độ so với vị trí ban đầu.

Câu hỏi đặt ra là: Tại sao kim là bàn quay khi có sự chêch lệch nhiệt độ ở thiết bị nhiệt điện?
– 
Nó đơn giản là các điện tử ở đầu nóng có mật độ cao hơn ở đầu lạnh. Do đó các điện tử có xu hướng chạy về phía đầu lạnh để cân bằng mật độ ở hai đầu thiết bị. Việc các điện tử chạy sẽ tạo ra một dòng điện ngược chiều từ phía đầu lạnh về phía đầu nóng. Khi đó dòng điện này sẽ tạo ra một từ trường quanh nó, và chính từ trường này là nguyên nhân làm kim la bàn quay. Hơn thế nữa một dòng điện như vậy cũng sẽ tạo ra một hiệu điện thế ở hai đầu thiết bị. Nếu chúng ta lấy hiệu điện thế này chia cho sự chênh lệch nhiệt độ, chúng ta sẽ thu được giá trị của hệ số Seebeck.

Một thí nghiệm nhỏ, nhưng chúng ta có thể quan sát được một hiện tượng vật lý thú vị với ứng dụng rất quan trọng, đó là chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng. Nó là một máy phát điện không cần bộ phận chuyển động, thân thiện với môi trường. Khi tôi thấy thực nghiệm này, thì tôi rất ngạc nhiên, vì toàn bộ thời gian học trung học của tôi, tôi không hề biết gì về hiện tượng vật lý này. Nó gần như vắng mặt ở hầu hết sách giáo khoa vật lý tại thời điểm đó, thậm chí cả bậc đại học tôi cùng chưa bao giờ nghe tới. Vì vậy, hi vọng nếu có thầy cô bậc trung học nào hứng thú với bài viết này thì hãy giới thiệu hiệu ứng vật lý này cho học sinh của mình với mô hình thí nghiệm đơn giản như trên. Biết đâu chúng ta sẽ khơi gợi được đam mê vật lý trong các cô cậu học sinh. Đam mê quan trọng hơn cả những thứ trong sách vở đối với học sinh, vì đam mê chính là xăng dầu để chiếc xe có thể chạy cả cuộc đời.

[1] Thomas B. Greenslade Jr., Phys. Teach. 44, 50 (2006).
[2] Jukka O. Mattila, Phys. Teach. 44, L-1 (2006).

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s