Ефект на Томсън — термоелектрическо явление

Когато постоянен електрически ток преминава през проводник, този проводник се нагрява в съответствие с със закона на Джоул-Ленц: освободената топлинна мощност на единица обем на проводника е равна на произведението на плътността на тока и силата на електрическото поле, действащо в проводника.

Това е така, защото тези, които се движат в проводника под действието на електрическо поле свободни електрони, образувайки ток, се сблъскват с възлите на кристалната решетка по пътя и пренасят част от тяхната кинетична енергия към тях, в резултат на това възлите на кристалната решетка започват да вибрират по -силно, тоест температурата на проводника се издига в целия си обем.

Колкото повече силата на електрическото поле в проводник — колкото по -високите скорости на свободните електрони имат време да се ускорят, преди да се сблъскат с възлите на кристалната решетка, толкова повече кинетична енергия имат време да спечелят по свободния път и колкото повече импулс пренасят към възлите на кристала решетка в момента на сблъсък с тях. Очевидно е, че колкото по -голямо е електрическото поле, свободните електрони в проводника се ускоряват, толкова повече топлина се отделя в обема на проводника.

Сега нека си представим, че проводникът от едната страна се нагрява. Тоест единият му край има температура по -висока от другия му край, докато другият край има приблизително същата температура като околния въздух. Това означава, че в нагрятата част на проводника свободните електрони имат по -високи скорости на топлинно движение, отколкото в другата му част.

Ако сега оставите проводника сам, той постепенно ще се охлади. Част от топлината ще се прехвърля директно към околния въздух, част от топлината ще се прехвърля към по -слабо загрятата страна на проводника, а от него към околния въздух.

В този случай свободните електрони с по -високи скорости на топлинно движение ще прехвърлят инерцията към свободните електрони в по -слабо загрятата част на проводника, докато температурата в целия обем на проводника се изравни, тоест докато скоростите на топлинно движение на свободните електрони по целия обем на проводника се изравнява.

Нека усложним експеримента. Свързваме проводника към източник на постоянен ток, като предварително загряваме страната с пламък, към който ще бъде свързан отрицателният извод на източника. Под влияние на електрическото поле, създадено от източника, свободните електрони в проводника ще започнат да се движат от отрицателния извод към положителния извод.

В допълнение, температурната разлика, създадена от предварително загряване на проводника, ще допринесе за движението на тези електрони от минус към плюс.

Можем да кажем, че електрическото поле на източника помага за разпространението на топлина по проводника, но свободните електрони, движещи се от горещия край към студения, обикновено се забавят, което означава, че те пренасят допълнителна топлинна енергия към околните атоми.

Тоест, по посока на атомите, заобикалящи свободните електрони, се отделя допълнителна топлина спрямо топлината на Джоул-Ленц.

Сега отново загрейте едната страна на проводника с пламък, но свържете източника на ток с положителен проводник към нагрятата страна. От страната на отрицателния извод свободните електрони в проводника имат по -ниски скорости на топлинно движение, но под действието на електрическото поле на източника те се втурват към нагретия край.

Топлинното движение на свободните електрони, създадено от предварително загряване на проводника, се разпространява към движението на тези електрони от минус към плюс. Свободните електрони, движещи се от студения край до горещия край, като цяло се ускоряват, като поемат топлинна енергия от нагретия проводник, което означава, че те абсорбират топлинната енергия на атомите, заобикалящи свободните електрони.

Този ефект беше открит през 1856 г. Британски физик Уилям Томсънкоято установи, че в еднакъв неравномерно нагрят проводник с постоянен ток, в допълнение към топлината, отделена в съответствие със закона на Джоул-Ленц, допълнителна топлина ще бъде освободена или погълната в обема на проводника, в зависимост от посоката на тока (трето термоелектрически ефект).

Количеството топлина на Томсън е пропорционално на големината на тока, продължителността на тока и температурната разлика в проводника. t — коефициент на Томсън, който се изразява във волта на келвин и има същия размер като термоелектромоторна сила.

Други термоелектрически ефекти: Ефект на Зеебек и Пелтие