Efekt Thomsona — zjawisko termoelektryczne

Kiedy przez drut przepływa stały prąd elektryczny, ten drut jest podgrzewany zgodnie z z prawem Joule'a-Lenza: uwolniona moc cieplna na jednostkę objętości przewodnika jest równa iloczynowi gęstości prądu i natężenia pola elektrycznego działającego w przewodniku.

To dlatego, że te, które poruszają się w drucie pod działaniem pola elektrycznego wolne elektrony, tworząc prąd, zderzają się po drodze z węzłami sieci krystalicznej i przekazują im część swojej energii kinetycznej, w wyniku czego węzły sieci krystalicznej zaczynają silniej wibrować, to znaczy temperatura przewodnika rośnie w całej swojej objętości.

Więcej siła pola elektrycznego w drucie — im większa prędkość swobodnych elektronów ma czas na przyspieszenie przed zderzeniem z węzłami sieci krystalicznej, tym więcej energii kinetycznej mają czas na uzyskanie na drodze swobodnej i tym większy pęd przenoszą do węzłów sieć krystaliczna w tej chwili na kursie kolizyjnym z nimi.Oczywiste jest, że im większe pole elektryczne, swobodne elektrony w przewodniku są przyspieszane, tym więcej ciepła uwalnia się w objętości przewodnika.

Teraz wyobraźmy sobie, że drut po jednej stronie jest nagrzany. Oznacza to, że jeden koniec ma temperaturę wyższą niż drugi koniec, podczas gdy drugi koniec ma w przybliżeniu taką samą temperaturę jak otaczające powietrze. Oznacza to, że w nagrzanej części przewodnika swobodne elektrony mają większe prędkości ruchu termicznego niż w pozostałej części.

Jeśli teraz zostawisz drut w spokoju, stopniowo ostygnie. Część ciepła zostanie przekazana bezpośrednio do otaczającego powietrza, część ciepła zostanie przekazana mniej nagrzanej stronie drutu, a z niej do otaczającego powietrza.

W tym przypadku elektrony swobodne o wyższych prędkościach ruchu termicznego będą przekazywać pęd elektronom swobodnym w mniej nagrzanej części przewodnika, aż do wyrównania się temperatury w całej objętości przewodnika, czyli do momentu, gdy prędkości przepływu termicznego ruch swobodnych elektronów w całej objętości przewodnika jest wyrównany.

Skomplikujmy eksperyment. Podłączamy przewód do źródła prądu stałego, podgrzewając wstępnie płomień strony, do której zostanie podłączony ujemny zacisk źródła. Pod wpływem pola elektrycznego wytwarzanego przez źródło, swobodne elektrony w przewodzie zaczną przemieszczać się od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego.

Ponadto różnica temperatur powstała w wyniku podgrzania drutu przyczyni się do ruchu tych elektronów od minusa do plusa.

Można powiedzieć, że pole elektryczne źródła pomaga w rozprowadzaniu ciepła wzdłuż drutu, ale swobodne elektrony przemieszczające się od gorącego do zimnego końca są zwykle spowalniane, co oznacza, że ​​przekazują dodatkową energię cieplną otaczającym atomom.

Oznacza to, że w kierunku atomów otaczających wolne elektrony uwalniane jest dodatkowe ciepło w stosunku do ciepła Joule'a-Lenza.

Teraz ponownie podgrzej jedną stronę drutu płomieniem, ale podłącz źródło prądu z dodatnim przewodem do ogrzewanej strony. Po stronie bieguna ujemnego swobodne elektrony w przewodniku mają mniejsze prędkości ruchu termicznego, ale pod działaniem pola elektrycznego źródła pędzą do ogrzanego końca.

Ruch termiczny swobodnych elektronów powstały w wyniku podgrzania drutu rozchodzi się na ruch tych elektronów od minusa do plusa. Swobodne elektrony poruszające się od zimnego do gorącego końca są generalnie przyspieszane przez pochłanianie energii cieplnej z nagrzanego drutu, co oznacza, że ​​pochłaniają energię cieplną atomów otaczających wolne elektrony.

Stwierdzono ten efekt w 1856 roku fizyk brytyjski Williama Thomsonaktóry to znalazł w równomiernie nierównomiernie nagrzanym przewodniku prądu stałego, oprócz ciepła wydzielanego zgodnie z prawem Joule'a-Lenza, dodatkowe ciepło będzie uwalniane lub pochłaniane w objętości przewodnika, w zależności od kierunku przepływu prądu (trzeci efekt termoelektryczny) .

Ilość ciepła Thomsona jest proporcjonalna do wielkości prądu, czasu trwania prądu i różnicy temperatur w przewodniku.t — współczynnik Thomsona, który jest wyrażony w woltach na kelwin i ma taką samą wielkość jak siła termoelektromotoryczna.

Inne efekty termoelektryczne: Efekt Seebecka i Peltiera