Hiệu ứng Thomson - một hiện tượng nhiệt điện

Khi có dòng điện một chiều chạy qua dây dẫn thì dây dẫn đó nóng lên theo với định luật Joule-Lenz: nhiệt năng tỏa ra trên một đơn vị thể tích của vật dẫn bằng tích của mật độ dòng điện và cường độ điện trường tác dụng trong vật dẫn.

Vì những phần tử chuyển động trong ống dây dưới tác dụng của điện trường điện tử tự do, tạo thành dòng điện, va chạm với các nút của mạng tinh thể trên đường đi và truyền một phần động năng cho chúng, kết quả là các nút của mạng tinh thể bắt đầu dao động mạnh hơn, tức là nhiệt độ của chất dẫn điện tăng lên tăng trong toàn bộ khối lượng của nó.

Nhiều hơn cường độ điện trường trong một sợi dây — tốc độ của các electron tự do có thời gian để tăng tốc trước khi chúng va chạm với các nút của mạng tinh thể càng cao thì động năng mà chúng có thời gian để thu được trên đường tự do càng lớn và động lượng mà chúng truyền tới các nút của mạng tinh thể càng nhiều. mạng tinh thể lúc này đang va chạm với chúng.Rõ ràng là điện trường càng lớn, các êlectron tự do trong vật dẫn được gia tốc thì nhiệt lượng tỏa ra trong thể tích vật dẫn càng nhiều.

Bây giờ chúng ta hãy tưởng tượng rằng dây ở một bên được làm nóng. Tức là, một đầu có nhiệt độ cao hơn đầu kia, trong khi đầu kia có nhiệt độ xấp xỉ với không khí xung quanh. Điều này có nghĩa là trong phần bị đốt nóng của dây dẫn, các electron tự do có tốc độ chuyển động nhiệt cao hơn ở phần còn lại.

Nếu bạn để dây một mình bây giờ, nó sẽ nguội dần. Một phần nhiệt sẽ truyền trực tiếp ra không khí xung quanh, một phần nhiệt sẽ truyền sang mặt ít nóng hơn của dây dẫn và từ đó truyền ra không khí xung quanh.

Trong trường hợp này, các electron tự do có tốc độ chuyển động nhiệt cao hơn sẽ truyền động lượng cho các electron tự do ở phần ít bị đốt nóng hơn của vật dẫn cho đến khi nhiệt độ trong toàn bộ thể tích của vật dẫn được cân bằng, nghĩa là cho đến khi tốc độ truyền nhiệt chuyển động của các êlectron tự do trong toàn bộ thể tích vật dẫn là cân bằng.

Hãy làm phức tạp thí nghiệm. Chúng tôi kết nối dây với nguồn điện một chiều, làm nóng trước mặt bằng ngọn lửa mà cực âm của nguồn sẽ được kết nối. Dưới tác dụng của điện trường do nguồn tạo ra, các êlectron tự do trong dây dẫn sẽ bắt đầu chuyển động từ cực âm sang cực dương.

Ngoài ra, chênh lệch nhiệt độ được tạo ra bằng cách làm nóng trước dây sẽ góp phần vào sự chuyển động của các electron này từ âm sang dương.

Chúng ta có thể nói rằng điện trường của nguồn giúp truyền nhiệt dọc theo dây dẫn, nhưng các electron tự do di chuyển từ đầu nóng sang đầu lạnh thường bị chậm lại, điều đó có nghĩa là chúng truyền thêm năng lượng nhiệt cho các nguyên tử xung quanh.

Nghĩa là, theo hướng của các nguyên tử bao quanh các electron tự do, nhiệt bổ sung được giải phóng so với nhiệt Joule-Lenz.

Bây giờ làm nóng lại một bên của dây bằng ngọn lửa, nhưng kết nối nguồn hiện tại với dây dẫn dương với bên được làm nóng. Về phía cực âm, các electron tự do trong dây dẫn có tốc độ chuyển động nhiệt thấp hơn, nhưng dưới tác dụng của điện trường của nguồn, chúng lao về phía đầu nóng.

Chuyển động nhiệt của các electron tự do được tạo ra bằng cách nung nóng sơ bộ dây truyền đến chuyển động của các electron này từ âm sang dương. Các electron tự do di chuyển từ đầu lạnh sang đầu nóng thường được tăng tốc bằng cách hấp thụ năng lượng nhiệt từ dây nóng, nghĩa là chúng hấp thụ năng lượng nhiệt của các nguyên tử xung quanh các electron tự do.

Hiệu ứng này đã được tìm thấy năm 1856 nhà vật lý người Anh William Thomsonmà tìm thấy rằng trong một dây dẫn điện một chiều được đốt nóng không đồng đều, ngoài nhiệt lượng tỏa ra theo định luật Joule-Lenz, nhiệt lượng bổ sung sẽ được giải phóng hoặc hấp thụ trong thể tích của dây dẫn, tùy thuộc vào hướng của dòng điện (hiệu ứng nhiệt điện thứ ba) .

Lượng nhiệt Thomson tỷ lệ thuận với độ lớn của dòng điện, thời lượng của dòng điện và chênh lệch nhiệt độ trong dây dẫn.t — Hệ số Thomson, được biểu thị bằng vôn trên kelvin và có cùng kích thước với lực nhiệt điện động.

Các hiệu ứng nhiệt điện khác: Hiệu ứng Seebeck và Peltier