Φαινόμενο Thomson — ένα θερμοηλεκτρικό φαινόμενο

Όταν ένα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα καλώδιο, αυτό το καλώδιο θερμαίνεται σύμφωνα με με τον νόμο Joule-Lenz: η εκλυόμενη θερμική ισχύς ανά μονάδα όγκου του αγωγού είναι ίση με το γινόμενο της πυκνότητας ρεύματος και της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που ενεργεί στον αγωγό.

Αυτό συμβαίνει γιατί αυτά που κινούνται στο σύρμα υπό τη δράση ηλεκτρικού πεδίου ελεύθερα ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας ρεύμα, συγκρούονται με τους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος στην πορεία και μεταφέρουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας σε αυτούς, με αποτέλεσμα οι κόμβοι του κρυσταλλικού πλέγματος να αρχίζουν να δονούνται πιο έντονα, δηλαδή η θερμοκρασία του αγωγού ανεβαίνει σε όλο τον όγκο του.

Περισσότερο ένταση ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σύρμα — όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων να επιταχυνθούν πριν συγκρουστούν με τους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος, τόσο περισσότερη κινητική ενέργεια έχουν χρόνο να κερδίσουν στην ελεύθερη διαδρομή και τόσο περισσότερη ορμή μεταφέρουν στους κόμβους του το κρυσταλλικό πλέγμα αυτή τη στιγμή σε πορεία σύγκρουσης με αυτά.Είναι προφανές ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό πεδίο, επιταχύνονται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στον αγωγό, τόσο περισσότερη θερμότητα απελευθερώνεται στον όγκο του αγωγού.

Τώρα ας φανταστούμε ότι το σύρμα στη μία πλευρά θερμαίνεται. Δηλαδή, το ένα άκρο έχει θερμοκρασία υψηλότερη από το άλλο άκρο, ενώ το άλλο άκρο έχει περίπου την ίδια θερμοκρασία με τον περιβάλλοντα αέρα. Αυτό σημαίνει ότι στο θερμαινόμενο τμήμα του αγωγού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες θερμικής κίνησης από ότι στο άλλο μέρος.

Αν αφήσετε το σύρμα μόνο του τώρα, θα κρυώσει σταδιακά. Μέρος της θερμότητας θα μεταφερθεί απευθείας στον περιβάλλοντα αέρα, μέρος της θερμότητας θα μεταφερθεί στη λιγότερο θερμαινόμενη πλευρά του σύρματος και από αυτήν στον περιβάλλοντα αέρα.

Σε αυτήν την περίπτωση, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια με υψηλότερους ρυθμούς θερμικής κίνησης θα μεταφέρουν την ορμή στα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο λιγότερο θερμαινόμενο τμήμα του αγωγού έως ότου εξισωθεί η θερμοκρασία σε ολόκληρο τον όγκο του αγωγού, δηλαδή έως ότου οι ρυθμοί θερμότητας η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε όλο τον όγκο του αγωγού εξισώνεται.

Ας περιπλέκουμε το πείραμα. Συνδέουμε το καλώδιο σε πηγή συνεχούς ρεύματος, προθερμαίνοντας την πλευρά με φλόγα στην οποία θα συνδεθεί ο αρνητικός ακροδέκτης της πηγής. Υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από την πηγή, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο σύρμα θα αρχίσουν να μετακινούνται από τον αρνητικό ακροδέκτη στο θετικό τερματικό.

Επιπλέον, η διαφορά θερμοκρασίας που δημιουργείται από την προθέρμανση του σύρματος θα συμβάλει στην κίνηση αυτών των ηλεκτρονίων από το μείον στο συν.

Μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρικό πεδίο της πηγής βοηθά στη διάδοση της θερμότητας κατά μήκος του σύρματος, αλλά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που κινούνται από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο συνήθως επιβραδύνονται, πράγμα που σημαίνει ότι μεταφέρουν πρόσθετη θερμική ενέργεια στα γύρω άτομα.

Δηλαδή, προς την κατεύθυνση των ατόμων που περιβάλλουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, απελευθερώνεται επιπλέον θερμότητα σε σχέση με τη θερμότητα Joule-Lenz.

Τώρα θερμάνετε ξανά τη μία πλευρά του σύρματος με φλόγα, αλλά συνδέστε την πηγή ρεύματος με ένα θετικό καλώδιο στη θερμαινόμενη πλευρά. Στην πλευρά του αρνητικού ακροδέκτη, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στον αγωγό έχουν χαμηλότερες ταχύτητες θερμικής κίνησης, αλλά υπό τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου της πηγής σπεύδουν στο θερμαινόμενο άκρο.

Η θερμική κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων που δημιουργείται με την προθέρμανση του σύρματος διαδίδεται στην κίνηση αυτών των ηλεκτρονίων από το μείον στο συν. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που κινούνται από το ψυχρό άκρο στο θερμό άκρο γενικά επιταχύνονται απορροφώντας θερμική ενέργεια από το θερμαινόμενο σύρμα, που σημαίνει ότι απορροφούν τη θερμική ενέργεια των ατόμων που περιβάλλουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Αυτό το αποτέλεσμα βρέθηκε το 1856 Βρετανός φυσικός Ουίλιαμ Τόμσονπου διαπίστωσε ότι σε έναν ομοιόμορφα ανομοιόμορφα θερμαινόμενο αγωγό συνεχούς ρεύματος, εκτός από τη θερμότητα που απελευθερώνεται σύμφωνα με το νόμο Joule-Lenz, θα απελευθερωθεί ή θα απορροφηθεί πρόσθετη θερμότητα στον όγκο του αγωγού, ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος (τρίτο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο) .

Η ποσότητα της θερμότητας Thomson είναι ανάλογη με το μέγεθος του ρεύματος, τη διάρκεια του ρεύματος και τη διαφορά θερμοκρασίας στον αγωγό.t — Συντελεστής Thomson, ο οποίος εκφράζεται σε βολτ ανά Kelvin και έχει το ίδιο μέγεθος με θερμοηλεκτρική δύναμη.

Άλλες θερμοηλεκτρικές επιδράσεις: Φαινόμενο Seebeck και Peltier