Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Bách khoa
BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÝ 2
Đề tài nhóm 2:
GIỚI THIỆU VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN
NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC VÀ
ỨNG DỤNG
Giảng viên: thầy Trần Văn Tiến
Lớp GT1404
Nhóm 2
1
TP. HỒ CHÍ MINH, 06/2015
Sinh viên tham gia:
STT Họ tên MSSV
1 Trần Quang Khôi 1411875
2 Lê Nguyễn Trần
Thanh
1411177
3 Ngô Anh Vũ 1414743
4 Huỳnh Cao Toại 1410348
5
6
7
8
9
Nghiêm Phan Thiện
Quân
Nguyễn Đức Huy
Lê Tấn Sang
Lương Quang Pháp
Nguyễn Nhật Linh

các máy nhiệt này là cần thiết và hữu ích.
Trong bối cảnh đó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học vật
liệu trong thời đại nano, các vật liệu nhiệt điện trở thành ứng cử viên sáng
giá cho việc phát triển nguồn năng lượng bền vững, thân thiện với môi
trường.
II. HIỆU ỨNG NHIỆT ĐIỆN
Hiệu ứng Seebeck-Peltier hay hiệu ứng nhiệt điện là sự chuyển đổi trực tiếp
sự chênh lệch nhiệt độ thành dòng điện và ngược lại. Một thiết bị nhiệt điệt
tạo ra điện thế khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của thiết bị đó.
Ngược lại, khi ta cho một hiệu điện thế qua thiết bị nhiệt điện, thì xuất hiện
sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của thiết bị đó. Ở mức độ nguyên tử, có
thể hiểu rằng một gradient nhiệt đã gây ra sự khuếch tán các hạt mang điện
trong vật liệu từ bề nóng sang bề lạnh và tạo ra hiệu điện thế.
Hiệu ứng này có thể được dùng để tạo ra dòng điện, đo nhiệt độ hoặc thay
đổi/kiếm soát nhiệt độ của một đối tượng. Vì sự chênh lệch nhiệt độ và
hướng của dòng nhiệt có thể được quyết định bởi hiệu điện thế áp vào thiết
bị, các thiết bị nhiệt điện có thể được dùng để kiểm soát nhiệt độ.
4
Cụm từ “hiệu ứng nhiệt điện” đề cập đến cả 3 hiệu ứng độc lập : hiệu ứng
Seebeck, hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Thompson
1. Hiệu ứng Seebeck
Hiệu ứng nhiệt điện được gọi chung là hiệu ứng Peltier-Seebeck vì sự đóng
góp độc lập của cả 2 nhà vật lý này.
Hiệu ứng Seebeck là sự chuyển đổi trực tiếp sự chênh lệch nhiệt độ thành
dòng điện và được nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck phát hiện
vào năm 1821. Trong lúc thí nghiệm, ông phát hiện ra rằng trạng thái của la
bàn từ có thể bị tác động bởi nhiệt độ khi đế của nó được làm bởi 2 kim loại
khác nhau. Đó là bởi vì dòng nhiệt điện xuất hiện trong kim loại đã gây ra
từ trường. Tuy nhiên Seebeck đã lầm tưởng và gọi hiện tượng này là hiện
tượng nhiệt từ (thermomagnetic effect). Hiện tượng này thực chất là hiện

nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp, do vậy có thể xem hiệu ứng
Peltier là hiệu ứng ngược lại của hiệu ứng Seebeck, và do đó giữa 2 hệ số
có một mối quan hệ khắng khít :

Chính mối quan hệ này đã đưa đến một hiện tượng trong khối vật liệu xuất
hiện hiệu ứng nhiệt điện (được gọi chung là hiệu ứng Seebeck-Peltier) :Khi
có dòng nhiệt điện thì một bên khối vật liệu sẽ mất nhiệt do hiệu ứng Peltier
trong khi bên còn lại sẽ nóng lên. Người ta áp dụng hiện tượng này để chế
6
tạo các máy bơm nhiệt sử dụng hiệu ứng nhiệt điện, mà thường thấy nhất là
các máy nước nóng lạnh đang có trên thị trường, ngoài ra một số sản phẩm
tủ lạnh mini sử dụng nguồn điện USB cũng sử dụng hiệu ứng này.
Tuy nhiên, do dòng điện I là ổn định, nên nếu nhiệt độ thay đổi, thì Q sẽ
không ổn định do - thay đổi.
3. Hiệu ứng Thompson
Trong thực tế, nhiều vật liệu không có hệ số Seebeck là hằng số mà hệ số
này thay đổi theo nhiệt độ. Do đó một gradient nhiệt độ lẽ hiển nhiên sẽ dẫn
đến sự xuất hiện của một gradient hệ số Seebeck.
Hiện tượng được Kelvin tiên đoán và thực nghiệm vào năm 1851 cho thấy
nếu ta cho một dòng điện đi qua gradient nhiệt độ này thì hiệu ứng Peltier sẽ
xảy ra ổn định, hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Thompson. Người ta diễn
tả sự nóng lên hoặc lạnh đi của một khối vật liệu có dòng nhiệt điện như sau :
Trong đó là hệ số Thompson :

III. VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN
1. Hệ số phẩm chất nhiệt điện ZT
Tùy vào mục đích sử dụng mà các thiết bị nhiệt điện được gọi là TEC
(ThermoElectricCooler) – sử dụng hiệu ứng Peltier - hay TEG
(ThermoElectricGenerator) – sử dụng hiệu ứng Seebeck. Tuy nhiên, một
thiết bị TEC được thiết kế tốt sẽ cho hiệu suất làm lạnh tốt hơn một thiết bị

thống và có giá trị từ 0.3- 0.6
2. Các tiêu chí của vật liệu nhiệt điện tốt
- Hệ số phẩm chất nhiệt điện trở thành tiêu chí của các loại vật liệu
được sử dụng làm thiết bị nhiệt điện do nó đại diện cho hiệu suất của thiết
bị. Một thiết bị nhiệt điện tốt , hay một vật liệu nhiệt điện tốt phải đạt
được tiêu chí sau đây :
+ Hệ số Z có giá trị lớn ở nhiệt độ cao để có hiệu suất cao vì nhiệt độ
T trong công thức có thể kiểm soát được dễ dàng.
- Do vậy để tăng hệ số Z, người ta cố gắng chế tạo ra các vật liệu dẫn điện
tốt nhưng dẫn nhiệt kém ở nhiệt độ cao. Điều này dẫn tới một kết quả là
các vật liệu kim loại trở thành các vật liệu nhiệt điện tồi do cấu trúc của
chúng khiến chúng dẫn nhiệt tốt. Trong khi đó các chất bán dẫn có vùng
cấm trở thành các vật liệu nhiệt điện lý tưởng hơn. Tuy nhiên hệ số ZT của
các vật liệu tốt nhất hiện nay vẫn chưa vượt quá 3.0 ( ở mức độ trên 2.0
các ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện có thể thương mại hóa ).
3. Các thành tựu trên thế giới
- Các vật liệu như Bi
2
Te
3
và Bi
2
Se
3
là một trong các vật liệu tốt để làm vật
liệu nhiệt điện. Chúng có hệ số ZT từ 0.8 đến 1.0. Chế tạo các vật liệu này
ở kích thước nano hiện tại được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và theo
một số tiên đoán hệ số ZT của các vật liệu này ở kích thước nano có thể
lên đến 3.0
9

- Các thiết bị nhiệt điện được sử dụng để làm các cảm biến nhiệt với độ
chính xác tương đối cao và dải nhiệt độ hoạt động lớn.
Hình 4 : cảm biến nhiệt điện tử
2. Bơm nhiệt
- Hiệu ứng Peltier được ứng dụng chủ yếu để làm các thiết bị bơm nhiệt, cụ
thể là các máy nước nóng lạnh hoặc các thiết bị tản nhiệt cho chip xử lý trung
tâm của máy tính, do có ưu thế là gọn, bền và thời gian đáp ứng rất nhanh.
Hiệu ứng Peltier được biết đến và sử dụng rộng rãi hơn nhiều so với hiệu ứng
Seebeck.
11
Hình 5 : “sò lạnh” peltier
3. Một số mô hình nhiệt điện trên thế giới
- Hiệu ứng Seebeck được dùng để làm các máy phát điện. Các máy phát
điện này không có các bộ phận chuyển động do đó rất bền và không cồng
kềnh phức tạp như các máy phát điện sử dụng động cơ nhiệt. Tuy nhiên
hiệu suất của chúng rất thấp, tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu chế tạo
nên và giá thành thì đắt đỏ. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các
ngành vật liệu học, các máy phát nhiệt điện (thermoelectric generators)
có nhiều tiềm năng hơn vì rẻ hơn,gọn hơn. Vào tháng 12 năm 2014, một
bài báo khoa học tựa đề là “Feasibility of large scale power plants
based on Thermoelectric effect “ tạm dịch là “Tính khả thi của các nhà
máy điện cỡ lớn dựa trên hiệu ứng nhiệt điện” của Liu Liping của đại
học Rutges – Hoa Kỳ được công bố trên trang New Journal of Physics.
Trong bài báo này, tác giả đã cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt
và đáy biển có thể được dùng để tạo ra điện năng trên quy mô lớn với giá
thành rẻ và khả thi. Tuy nhiên trên thực tế vẫn còn rất ít các mô hình phát
điện sử dụng hiệu ứng này.
- Các thiết bị TEG được sử dụng làm các máy phát điện có công suất lên
đến 1500watt, chủ yếu được sử dụng rất hạn chế ở các vùng có điều kiện
khắc nghiệt như nam cực, các sa mạc hoặc vùng núi, ngoài khơi, nơi mà

- Kể từ khi được phát hiện cho tới ngày nay, ứng dụng của hiệu ứng nhiệt
điện vẫn còn rất hạn chế. Đặc biệt trong bài toán năng lượng toàn cầu,
nguồn điện từ các máy phát điện Seebeck là hầu như không đáng kể. Hiệu
suất thấp, giá thành cao, chế tạo khó khăn – tất cả những yếu tố đó đã từng
là rào cản suốt nhiều thập kỉ cho sự phát triển của các vật liệu nhiệt điện.
- Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học và công nghệ
vật liệu , loài người đã bước sang bình minh của thời đại thiết kế vật liệu,
không còn lệ thuộc nhiều vào các vật liệu tự nhiên. Cùng với sự nhảy vọt
của công nghệ nano, chúng ta ngày càng khai thác triệt để các đặc tính của
vật liệu ở một mức độ chưa từng có trong lịch sử. Gỗ, xương, đá, đồng,
sắt, thép – tất cả những vật liệu đó đã từng làm thay đổi nền văn minh của
chúng ta. Như vậy cũng có thể kì vọng rằng với sự ra đời của một loại vật
liệu nhiệt điện tiên tiến, chúng ta sẽ giải quyết được các bài toán về môi
trường, năng lượng, thay đổi nhận thức của chúng ta về cách chuyển hóa
và sử dụng các nguồn lực của thiên nhiên. Mọi thành quả to lớn đều có
khởi đầu nhỏ bé và ở trong cấu trúc nhỏ bé ở mức độ nano của một mẫu
thử nào đó, có thể chúng ta sẽ đạt được một thành quả to lớn.
VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wikipedia Thermoelectric Cooling
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_cooling
[2] Wikipedia Thermoelectric http://en.wikipedia.org/wiki/Seebeck_effect
15
[3] Wikipedia Thermoelectric Materials
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_materials
[4] http://thermoelectric-generator.com/
[5] Liping Liu (2014) large-scale power plants based on thermoelectric
effects. New Journal of Physics 16 (2014) 123019
[6] Global thermoelectric http://globalte.com
[7]Small thermoelectric generator
http://www.electrochem.org/dl/interface/fal/fal08/fal08_p54-56.pdf