Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Электрические явления / Эффект Томсона - термоэлектрическое явление


 

Эффект Томсона - термоэлектрическое явление



Во время протекания через проводник постоянного электрического тока, данный проводник нагревается в соответствии с законом Джоуля-Ленца: выделяемая в единице объема проводника тепловая мощность равна произведению плотности тока на напряженность электрического поля, действующего в проводнике.

Так происходит потому, что движущиеся внутри проводника под действием электрического поля свободные электроны, образующие ток, сталкиваются по пути с узлами кристаллической решетки и передают им часть своей кинетической энергии, в результате узлы кристаллической решетки начинают колебаться сильнее, то есть температура проводника повышается по всему его объему.

Чем больше напряженность электрического поля в проводнике — тем до больших скоростей успевают разогнаться свободные электроны прежде чем столкнутся с узлами кристаллической решетки, тем большую кинетическую энергию они успевают набрать по пути свободного пробега, и тем больший импульс передают узлам кристаллической решетки в момент столкновения с ними. Очевидно, чем большим электрическим полем ускоряются свободные электроны в проводнике - тем больше тепла в объеме проводника выделяется.

Эффект Томсона

Сейчас давайте представим, что проводник с одной стороны нагрет. То есть один из его концов имеет температуру более высокую чем второй его конец, тогда как второй конец имеет приблизительно такую же температуру, что и окружающий воздух. Это значит, что в нагретой части проводника свободные электроны обладают более высокими скоростями теплового движения чем в другой его части.

Если теперь оставить проводник в покое, то он постепенно остынет. Часть тепла будет передана непосредственно окружающему воздуху, другая часть тепла — менее нагретой стороне проводника, а от нее — окружающему воздуху.

При этом свободные электроны с более высокими скоростями теплового движения станут передавать импульс свободным электронам в менее нагретой части проводника до тех пор, пока температура по всему объему проводника не выровняется, то есть пока не выровняются и скорости теплового движения свободных электронов по всему объему проводника.

Эффект Томсона — одно из термоэлектрических явлений

Усложним эксперимент. Подключим проводник к источнику постоянного тока, предварительно подогрев пламенем ту его сторону, к которой будет подключен минусовой вывод источника. Под действием создаваемого источником электрического поля, свободные электроны в проводнике начнут двигаться от минусового вывода — к плюсовому.

Дополнительно движению этих электронов от минуса к плюсу станет способствовать созданный предварительным подогревом проводника перепад температур.

Можно сказать, что электрическое поле источника помогает распространению тепла по проводнику, однако свободные электроны, перемещаясь от горячего конца к холодному, в целом замедляются, а значит — передают дополнительную тепловую энергию окружающим атомам.

То есть в направлении окружающих свободные электроны атомов выделяется теплота дополнительная по отношению к теплоте Джоуля-Ленца.

Как работает эффект Томсона

Теперь снова подогреем одну сторону проводника пламенем, но подключим источник тока плюсовым выводом к нагретой стороне. На стороне минусового вывода свободные электроны в проводнике имеют меньшие скорости теплового движения, однако под действием электрического поля источника они устремляются в сторону нагретого конца.

Навстречу движению этих электронов от минуса к плюсу распространяется созданное предварительным подогревом проводника тепловое движение свободных электронов. Свободные электроны перемещаясь от холодного конца к горячему, в целом ускоряются, забирая тепловую энергию у подогретого проводника, а значит — поглощают тепловую энергию окружающих свободные электроны атомов.

Данный эффект был открыт в 1856 году британским физиком Уильямом Томсоном, который установил, что в однородном неравномерно нагретом проводнике с постоянным током, дополнительно к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля — Ленца, в объеме проводника будет выделяться или поглощаться дополнительная теплота в зависимости от направления тока (третий термоэлектрический эффект).

Термоэлектрический эффект Томсона

Количество теплоты Томсона пропорционально величине тока, времени действия тока и перепаду температур в проводнике. т - коэффициент Томсона, который выражается в вольтах на кельвин и имеет ту же размерность, что и термоэлектродвижущая сила.

Другие термоэлектрические эффекты: эффект Зеебека и эффект Пельтье