Thomson-effekten — ett termoelektriskt fenomen

När en elektrisk likström går genom en tråd värms den tråden upp enl med Joule-Lenz lagen: den frigjorda termiska effekten per volymenhet av ledaren är lika med produkten av strömtätheten och styrkan av det elektriska fältet som verkar i ledaren.

Detta beror på att de som rör sig i tråden under inverkan av ett elektriskt fält fria elektroner, som bildar en ström, kolliderar med noderna i kristallgittret längs vägen och överför en del av deras kinetiska energi till dem, som ett resultat börjar noderna i kristallgittret att vibrera starkare, det vill säga ledarens temperatur stiger genom hela sin volym.

Ju mer elektrisk fältstyrka i en tråd — ju högre hastighet de fria elektronerna hinner accelerera innan de kolliderar med noderna i kristallgittret, desto mer kinetisk energi hinner de få på den fria banan och desto mer fart överför de till noderna på kristallgittret för tillfället på kollisionskurs med dem.Det är uppenbart att ju större det elektriska fältet är, de fria elektronerna i ledaren accelereras, desto mer värme frigörs i ledarens volym.

Låt oss nu föreställa oss att tråden på ena sidan är uppvärmd. Det vill säga att den ena änden har en högre temperatur än den andra, medan den andra änden har ungefär samma temperatur som den omgivande luften. Detta innebär att i den uppvärmda delen av ledaren har de fria elektronerna högre termisk rörelsehastighet än i den andra delen.

Om du låter tråden vara ifred nu kommer den gradvis att svalna. En del av värmen kommer att överföras direkt till den omgivande luften, en del av värmen kommer att överföras till den mindre uppvärmda sidan av tråden och från den till den omgivande luften.

I detta fall kommer de fria elektronerna med högre termisk rörelsehastighet att överföra rörelsemängden till de fria elektronerna i den mindre uppvärmda delen av ledaren tills temperaturen i hela ledarens volym är utjämnad, det vill säga tills värmehastigheterna rörelsen av de fria elektronerna genom hela ledarens volym utjämnas.

Låt oss komplicera experimentet. Vi ansluter ledningen till en likströmskälla, förvärmer sidan med en låga till vilken källans negativa terminal kommer att anslutas. Under påverkan av det elektriska fältet som skapas av källan kommer de fria elektronerna i tråden att börja röra sig från den negativa terminalen till den positiva terminalen.

Dessutom kommer temperaturskillnaden som skapas genom att förvärma tråden att bidra till rörelsen av dessa elektroner från minus till plus.

Vi kan säga att källans elektriska fält hjälper till att sprida värme längs tråden, men de fria elektronerna som rör sig från den varma änden till den kalla änden bromsas vanligtvis ner, vilket innebär att de överför ytterligare värmeenergi till de omgivande atomerna.

Det vill säga i riktning mot atomerna som omger de fria elektronerna frigörs ytterligare värme i förhållande till Joule-Lenz-värmen.

Värm nu en sida av tråden igen med en låga, men anslut strömkällan med en positiv ledning till den uppvärmda sidan. På sidan av den negativa terminalen har de fria elektronerna i ledaren lägre hastigheter för termisk rörelse, men under inverkan av källans elektriska fält rusar de till den uppvärmda änden.

Den termiska rörelsen av fria elektroner som skapas genom att förvärma tråden fortplantar sig till dessa elektroners rörelse från minus till plus. Fria elektroner som rör sig från den kalla änden till den varma änden accelereras i allmänhet genom att absorbera värmeenergi från den uppvärmda tråden, vilket innebär att de absorberar värmeenergin från atomerna som omger de fria elektronerna.

Denna effekt hittades år 1856 brittisk fysiker William Thomsonsom hittade det i en jämnt ojämnt uppvärmd likströmsledare, utöver den värme som frigörs i enlighet med Joule-Lenz-lagen, kommer ytterligare värme att frigöras eller absorberas i ledarens volym, beroende på strömriktningen (tredje termoelektrisk effekt) .

Mängden Thomson-värme är proportionell mot storleken på strömmen, strömmens varaktighet och temperaturskillnaden i ledaren.t — Thomson-koefficient, som uttrycks i volt per kelvin och har samma storlek som termoelektromotorisk kraft.

Andra termoelektriska effekter: Seebeck och Peltier effekt