Efectul Thomson - un fenomen termoelectric

Când un curent electric continuu trece printr-un fir, acel fir este încălzit conform cu legea Joule-Lenz: puterea termică degajată pe unitatea de volum a conductorului este egală cu produsul dintre densitatea de curent și puterea câmpului electric care acționează în conductor.

Acest lucru se datorează faptului că cei care se mișcă în fir sub acțiunea unui câmp electric electroni liberi, formând un curent, se ciocnesc cu nodurile rețelei cristaline pe parcurs și le transferă o parte din energia lor cinetică, ca urmare, nodurile rețelei cristaline încep să vibreze mai puternic, adică temperatura conductorului se ridică pe tot volumul său.

Cu atât mai mult intensitatea câmpului electric într-un fir — cu cât viteza electronilor liberi au timp să se accelereze mai mare înainte de a se ciocni cu nodurile rețelei cristaline, cu atât mai multă energie cinetică au timp să câștige pe calea liberă și cu atât mai mult impuls transferă nodurilor rețeaua cristalină în acest moment pe un curs de coliziune cu ele.Este evident că cu cât câmpul electric este mai mare, electronii liberi din conductor sunt accelerați, cu atât se eliberează mai multă căldură în volumul conductorului.

Acum să ne imaginăm că firul de pe o parte este încălzit. Adică, un capăt are o temperatură mai mare decât celălalt capăt, în timp ce celălalt capăt are aproximativ aceeași temperatură ca și aerul din jur. Aceasta înseamnă că în partea încălzită a conductorului electronii liberi au viteze mai mari de mișcare termică decât în ​​cealaltă parte.

Dacă lăsați firul în pace acum, acesta se va răci treptat. O parte din căldură va fi transferată direct în aerul din jur, o parte din căldură va fi transferată către partea mai puțin încălzită a firului și din acesta către aerul din jur.

În acest caz, electronii liberi cu viteze mai mari de mișcare termică vor transfera impulsul către electronii liberi din partea mai puțin încălzită a conductorului până când temperatura din întregul volum al conductorului este egalată, adică până când ratele termice. mișcarea electronilor liberi în volumul conductorului este egalizată.

Să complicăm experimentul. Conectăm firul la o sursă de curent continuu, preîncălzind partea cu o flacără la care se va conecta borna negativă a sursei. Sub influența câmpului electric creat de sursă, electronii liberi din fir vor începe să se deplaseze de la borna negativă la borna pozitivă.

În plus, diferența de temperatură creată prin preîncălzirea firului va contribui la mișcarea acestor electroni de la minus la plus.

Putem spune că câmpul electric al sursei ajută la împrăștierea căldurii de-a lungul firului, dar electronii liberi care se deplasează de la capătul fierbinte la capătul rece sunt de obicei încetiniți, ceea ce înseamnă că transferă energie termică suplimentară atomilor din jur.

Adică, în direcția atomilor care înconjoară electronii liberi, se eliberează căldură suplimentară în raport cu căldura Joule-Lenz.

Acum încălziți din nou o parte a firului cu o flacără, dar conectați sursa de curent cu un cablu pozitiv la partea încălzită. Pe partea bornei negative, electronii liberi din conductor au viteze mai mici de mișcare termică, dar sub acțiunea câmpului electric al sursei se repezi spre capătul încălzit.

Mișcarea termică a electronilor liberi creată prin preîncălzirea firului se propagă la mișcarea acestor electroni de la minus la plus. Electronii liberi care se deplasează de la capătul rece la capătul fierbinte sunt în general accelerați prin absorbția energiei termice din firul încălzit, ceea ce înseamnă că absorb energia termică a atomilor din jurul electronilor liberi.

Acest efect a fost găsit în 1856 fizician britanic William Thomsoncare a constatat că într-un conductor de curent continuu încălzit uniform neuniform, pe lângă căldura degajată în conformitate cu legea Joule-Lenz, căldura suplimentară va fi eliberată sau absorbită în volumul conductorului, în funcție de direcția curentului (al treilea efect termoelectric) .

Cantitatea de căldură Thomson este proporțională cu mărimea curentului, cu durata curentului și cu diferența de temperatură a conductorului.t — Coeficientul Thomson, care este exprimat în volți pe kelvin și are aceeași dimensiune ca forta termoelectromotoare.

Alte efecte termoelectrice: Efectul Seebeck și Peltier