10.1. Mục ủớch yờu cầu
+ Nắm ủược nguyờn tắc hoạt ủộng của cặp nhiệt ủiện + Dựng cặp nhiệt ủiện ủể khảo sỏt nhiệt ủộ của lũ + Vận hành lũ cú ủiều khiển nhiệt ủộ tự ủộng 10.2. Cơ sở lý thuyết
10.2.1. Thế nhiệt ủiện ủộng Seebeck
Cặp nhiệt ủiện là dụng cụ ủo nhiệt ủộ ủược dựng rất rộng rói trong kĩ thuật. Cặp nhiệt ủiện ủược cấu tạo từ hai dõy kim loại khỏc nhau A và B ủược hàn với nhau ở hai ủầu (Hỡnh 10.1). Khi hai mối hàn ủược ủặt ở hai nhiệt ủộ khỏc nhau T1 và T2, trong mạch xuất hiện một suất ủiện ủộng, gọi là suất ủiện ủộng nhiệt ủiện hay cũn gọi là thế nhiệt ủiện ủộng Seebeck.
Hỡnh 10.1: Sơ ủồ nguyờn lý hoạt ủộng của cặp nhiệt ủiện
Cú 3 nguyờn nhõn chớnh làm xuất hiện thế nhiệt ủiện ủộng Seebeck: thế nhiệt ủiện ủộng thể tớch, thế nhiệt ủiện ủộng tiếp xỳc và thế nhiệt ủiện ủộng phonon.
a. Thế nhiệt ủiện ủộng thể tớch (sự khuếch tỏn electron khi cú sự chờnh lệch nhiệt ủộ dẫn ủến xuất hiện dũng cú hướng trong vật dẫn)
Khi nung núng một phần của ủoạn dõy kim loại, ủộng năng của ủiện tử tự do tăng lờn và dẫn ủến khuynh hướng khuếch tỏn ủiện tử (từ phần núng sang phần lạnh) trong dõy kim loại. Kết quả xuất hiện sức ủiện ủộng Thomson ở ủoạn dõy dẫn. Sức ủiện ủộng này phụ thuộc vào nhiệt ủộ và bản chất của dõy.
Vớ dụ: Ở hai ủầu vật dẫn cú nhiệt ủộ khỏc nhau, T2 > T1, thỡ vận tốc chuyển ủộng nhiệt của electron ở ủầu núng lớn hơn ở ủầu lạnh, ủiều này dẫn ủến sự thay ủổi phõn bố Fecmi – Dirac của khớ ủiện tử. Số ủiện tử tự do nằm trờn mức Fecmi sẽ tăng lờn khi nhiệt ủộ tăng. Do ủú mật ủộ ủiện tử tự do ở ủầu núng lớn hơn ủầu lạnh. Vỡ vậy cú dũng electron khuếch tỏn từ ủầu núng ủến ủầu lạnh. Kết quả là ủầu núng tớch ủiện dương, ủầu lạnh tớch ủiện õm. Giữa hai ủầu dõy cú một hiệu ủiện thế. Hiệu ủiện thế này cú giỏ trị khỏc nhau ở cỏc kim loại khỏc nhau. Tổng
ủại số cỏc hiệu ủiện th ủộng thể tớch.
Chú ý: Nếu dùng hai dây cùng m ủộ T1 và T2 thỡ trong m
nhưng ngược chiều nhau nên t b. Thế nhiệt ủiện ủ thuộc vào nhiệt ủộ mố
Nguyên nhân là do xu dõy dẫn khụng ủồng ch
tiếp của hai vật dẫn khác nhau (có th khuếch tán hạt tải. Khi hai m
ở hai mối hàn có giá tr tổng ủại số hai hiệu ủ ủộng tiếp xỳc.
c. Thế nhiệt ủiện ủộng mạng (Phonon))
Khi có gradient nhi từ ủầu núng về ủầu lạ Kết quả xuất hiện một su vựng nhiệt ủộ thấp.
Tóm lại: tất cả phụ thuộc vào sự chênh l ủịnh suất nhiệt ủiện ủ
biết nhiệt ủộ của mối hàn kia. Thụng t ủịnh, chẳng hạn bằng cỏch nhỳng vào n
Sơ ủồ ủơn giản m 10.2. Hai dõy kim loại ủư là ủầu ủo 1. Hai ủầu cũn l ủú nối ủến bộ phận ủo nhi
Hình 10.2: S
47
n thế này trong mạch kín tạo nên thành phầ ùng hai dây cùng một kim loại nối với nhau thỡ trong mạch xuất hiện hai suất ủiện ủộng cú giỏ tr
u nhau nờn tổng sức ủiện ủộng ủú bằng 0.
n ủộng tiếp xỳc (hiệu ủiện thế tiếp xỳc giữ ối hàn)
Nguyên nhân là do xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vự
ng chất. Thế năng tiếp xúc hình thành là do trong vùng chuy n khác nhau (có thế hóa học và công thoát
i. Khi hai mối hàn cú nhiệt ủộ khỏc nhau, hiệu ủ i hàn có giá trị khác nhau, làm cho trong mạch có suấ
u ủiện thế tiếp xỳc. Từ ủú ta cú thành phầ n ủộng phonon (do sự kớch thớch của ủiệ
Khi cú gradient nhiệt ủộ trong vật dẫn, sẽ xuất hiện sự trụi c ạnh, kộo theo sự trụi của cỏc ủiện tử tự do theo h
t suất ủiện ủộng. Tuy nhiờn thành phần này ch cỏc thành phần của suất nhiệt ủiện ủộng trong m chờnh lệch nhiệt ủộ của hai mối hàn. Vỡ vậ
n ủộng ta cú thể xỏc ủịnh ủược nhiệt ủộ của m i hàn kia. Thụng thường, một mối hàn ủược gi ng cỏch nhỳng vào nước ủỏ tan (0 oC).
n mạch ủo nhiệt ủộ bằng cặp nhiệt ủược th i ủược hàn với nhau (hoặc ghộp nguội) ở m u cũn lại của cặp nhiệt ủược nối với hai dõy d
ủo nhiệt ủộ M (thực chất là vụn kế).
Hỡnh 10.2: Sơ ủồ ủo nhiệt ủộ bằng cặp nhiệt ủiện
ần suất nhiệt ủiện
i nhau ở hai ủầu cú nhiệt ng có giá trị bằng nhau a hai kim loại phụ ực mối hàn của hai p xúc hình thành là do trong vùng chuyển c và công thoát khác nhau) có sự u ủiện thế tiếp xỳc ất ủiện ủộng bằng ần suất nhiệt ủiện
ện tử bởi các dao
trôi của các phonon do theo hướng ủú.
n này chỉ ủỏng kể ở ng trong mạch ủều ậy, bằng cách xác a một mối nếu ủó c giữ ở nhiệt ủộ cố c thể hiện ở Hình một ủầu, ủú chớnh i hai dõy dẫn ở ủiểm b từ
n
Thực hành Vật lý Chất rắn
48
Thực tế số chỉ trờn bộ chỉ thị M khụng phải là nhiệt ủộ tại ủiểm ủo 1 mà là hiệu nhiệt ủộ giữa ủiểm ủo 1 và ủầu tự do b. ðiểm b luụn ủược giữ ở nhiệt ủộ khụng ủổi và ủược gọi là ủiểm so sỏnh. ðể giảm sự biến ủổi nhiệt ủộ ở ủiểm so sỏnh (do bức xạ nhiệt,…), người ta dựng dõy nối ủể kộo dài ủiểm so sỏnh ủến 1 vị trớ ủảm bảo cú nhiệt ủộ khụng ủổi. ðoạn dõy nối này ủược gọi là dõy bự.
Chỳ ý: Vật liệu dựng ủể làm cặp nhiệt phải cú ủộ tinh khiết cao, tớnh chống ăn mũn tốt, ủiểm núng chảy cao hơn nhiệt ủộ cần ủo, dẫn nhiệt và dẫn ủiện tốt, tớnh lặp lại tốt…
ðộ chớnh xỏc của cặp nhiệt phụ thuộc vào ủộ chớnh xỏc kĩ thuật chế tạo, dải nhiệt ủộ ủo, tớnh chất vật lý và húa học của mụi trường ủo.
Dải ủo của cặp nhiệt tựy thuộc vào vật liệu, cấu trỳc của cặp nhiệt.
Ưu ủiểm của cặp nhiệt ủiện
+ ðo ủược nhiệt ủộ tại những vựng cú thể tớch rất nhỏ (phần nghỡn milimet khối)
+ Khoảng nhiệt ủộ ủo ủược rất rộng
10.2.2. Tỡm hiểu cấu tạo lũ nung ủơn giản
Lũ nung với dõy ủiện trở ủược chế tạo theo nhu cầu trực tiếp của phũng thớ nghiệm dựng ủể nung mẫu trong một vựng nhiệt ủộ ổn ủịnh. Cấu tạo của lũ ủược ủược mụ tả trờn hỡnh 3.
Hình 10.3: Cấu tạo cơ bản lò nung 1. Lõi của lò – bằng sứ chịu nhiệt
2. Dõy ủốt 3. Cặp nhiệt
4. Thuyền sứ chịu nhiệt 5. Mẫu cần nung
6. Vỏ lò – bằng tôn
Dõy ủốt ủược ủược cuốn dọc theo lừi lũ và cú mật ủộ vũng dõy thay ủổi sao cho tạo nờn một vũng ủồng ủều nhiệt ở giữa lũ. Khi cấp một hiệu ủiện thế vào hai ủầu dõy ủốt, do hiệu ứng Jun-Lenxơ, dõy ủốt ủược nung núng. Nhiệt ủộ
49
của lũ ủược tăng dần ủến giỏ trị mà ở ủú năng lượng của nguồn ủiện cung cấp cho lũ cõn bằng với năng lượng nhiệt ủộ do lũ tỏa ra mụi trường thỡ dừng lại.
Nhiệt ủộ ủú gọi là nhiệt ủộ bảo hũa. Ở một ủiều kiện mụi trường xỏc ủịnh, ứng với mỗi giỏ trị hiệu ủiện thế cấp cho lũ sẽ cú một nhiệt ủộ bảo hũa.
Trước khi sử dụng lũ nung với mục ủớch cụ thể ta phải tiến hành khảo sỏt lũ nung. Mục ủớch của việc khảo sỏt lũ nung là xỏc ủịnh ủược một vựng ổn nhiệt (cú nhiệt ủộ bằng nhau trong sai số cho phộp) trong lũng của lũ và xỏc ủịnh giỏ trị ủiện ỏp ủặt vào lũ ứng với giỏ trị nhiệt ủộ bảo hũa mà ta cần nung tại vựng ổn nhiệt ủú.
10.3. Dụng cụ thí nghiệm
+ Lũ nung cú ủiều khiển nhiệt ủộ + Cảm biến nhiệt ủộ
10.4. Các bước thí nghiệm
Bước 1 : Tỡm hiểu cấu tạo và cỏc thụng số kĩ thuật của lũ nung ủơn giản và lũ nung cú ủiều khiển nhiệt ủộ.
Bước 2 : Tỡm hiểu cỏc thụng số kĩ thuật của bộ thay ủổi ủiện ỏp, ủồng hồ ủo.
Bước 3 : Xỏc ủịnh nhiệt ủộ tại tõm lũ theo thời gian cho ủến khi nhiệt ủộ ủạt giá trị bảo hòa.
Bước 4 : Thay ủổi vị trớ của cặp nhiệt theo chiều dài của lũ ủể xỏc ủịnh nhiệt ủộ bảo hũa của lũ tại cỏc vị trớ này, tỡm ra vựng ủồng nhất nhiệt.
Bước 5 : Thiết lập bảng số liệu, tớnh sai số. Vẽ ủồ thị nhiệt ủộ theo thời gian và nhiệt ủộ theo chiều dài của lũ.
Bảng 1
Lần ủo Thời gian Nhiệt ủộ tại tõm lũ (°C)
Bảng 2
Lần ủo L (cm) Nhiệt ủộ (°C)
* Thực hành vận hành của lò ủ tại phòng thí nghiệm:
- ðặt cỏc chế ủộ nhiệt ủộ khỏc nhau.
Thực hành Vật lý Chất rắn
50
- ðặt tốc ủộ gia nhiệt khỏc nhau tại cỏc vựng ủ của lũ. (Lưu ý: chỉ ủược phộp thao tỏc khi ủược sự ủồng ý và cú mặt của cỏn bộ hướng dẫn tại chỗ).
10.5. Trả lời câu hỏi
1. Bản chất của hiệu ứng Seebeck, giải thích các hiện tượng xuất hiện suất nhiệt ủiện ủộng.
2. Tỡm hiểu cỏc cỏch ủo nhiệt ủộ bằng cỏc phương phỏp khỏc 3. Cấu tạo lò nung.