Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты

Искать: Сайт ЕНЭ НТЭ

Расширенный   Формализованый   По связи разделов

А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я

• Естественнонаучные эффекты (ЕНЭ)

	Томсона эффект в металлах

Анимация

Описание

Эффект Томсона относится к термоэлектрическим эффектам и заключается в следующем: при пропускании электрического тока через проводник, вдоль которого существует градиент температуры, в проводнике (даже однородном), помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла (теплота Томсона).

Неравномерное нагревание первоначально однородного проводника меняет его свойства, делая проводник неоднородным. Поэтому явление Томсона  это, в сущности, своеобразное явление Пельтье с той разницей, что неоднородность вызвана не различием химического состава проводника, а неодинаковостью температуры.

Опыт и теоретические расчеты показывают, что явление Томсона подчиняется следующему закону:

,

где - тепло Томсона, выделяющееся (или поглощающееся) за единицу времени в единице объема проводника (удельная тепловая мощность);

j - плотность тока, текущего через проводник;

- градиент температуры вдоль проводника;

t - коэффициент Томсона, зависящий от природы металла и его температуры.

Приведенная выше формула (так называемая дифференциальная форма закона) может быть применена к отрезку проводника x, вдоль которого течет ток I и имеется некоторый перепад температур:

.

Закон Томсона в интегральной форме определяет полное количество тепла Томсона Q, выделившееся (или поглотившееся) во всем рассматриваемом объеме проводника (DV=SDx) за время t:

.

При этом эффект Томсона считается положительным, если электрический ток, текущий в направлении градиента температуры (I ­­ dT/dx), вызывает нагревание проводника (Qt>0), и отрицательным, если при том же направлении тока происходит охлаждение проводника (Qt<0).

Qt= tЧDT ЧIЧ t.

Для объяснения эффекта Томсона необходимо рассмотреть влияние двух факторов. Первый фактор учитывает изменение средней энергии электронов вдоль проводника из-за его неравномерного нагрева (см. рис. 1a и 1б).

Выделение тепла Томсона при параллельности тока и градиента температуры в образце

Рис. 1а

Поглощение  тепла Томсона при антипараллельности тока и градиента температуры в образце

Рис. 1б

Пусть Т1>Т2, т.е. градиент температуры направлен от точки 2 к точке 1. В более нагретой части проводника (1) средняя энергия электронов больше, чем в менее нагретой (2). Поэтому, если направление тока в металле (М) соответствует движению электронов от горячего конца к холодному (рис. 1a), то электроны передают свою избыточную энергию кристаллической решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона (Qt>0).

При обратном направлении тока (рис. 1б) электроны, двигаясь от холодного конца (2) к нагретому (1), будут пополнять свою энергию за счет решетки, что приведет к поглощению соответствующего количества теплоты (Qt<0).

Для более точного описания явления необходимо учесть второй фактор, который связан с электрическим полем термоэдс, возникающим в условиях неоднородности температуры (рис. 2а и 2б).

Охлаждение проводника при торможении электронов диффузионным электрическим полем пространственного заряда

Рис. 2а

Нагрев проводника при ускорении  электронов диффузионным электрическим полем пространственного заряда

Рис. 2б

Если градиент температуры поддерживается постоянным, то через проводник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осуществляется  в основном движением электронов проводимости (е). Возникает диффузионный поток электронов, направленный против градиента температуры (от 1 к 2). В результате концентрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника возникнет электрическое поле ЕТ, направленное от 1 к 2, т.е. против градиента температуры, которое препятствует дальнейшему разделению зарядов. Если теперь через проводник пропустить ток I от внешнего источника в направлении градиента температуры (рис.1a и рис. 2a), то электрическое поле ЕТ (связанное с термоэдс) будет тормозить электроны, что приводит к охлаждению участка 1-2 (Qt<0).

На рис. 2б изображена обратная ситуация: электрическое поле термоэдс ЕТ ускоряет электроны проводимости, в результате чего на участке проводника 1-2 происходит выделение тепла Томсона (Qt>0).

Таким образом, сравнение рисунков 1a - 2a и 1б - 2б показывает, что рассмотренные факторы действуют в противоположных направлениях, определяя не только величину, но и знак t и Qt. Величина коэффициента Томсона для большинства металлов довольно мала и не превышает t » 10-5 В/К.

Эффект Томсона, как и другие термоэлектрические явления, имеет феноменологический характер.

Коэффициент Томсона связан с коэффициентами Пельтье p и термоэдс a соотношением Томсона:

.

Из измерений коэффициента Томсона можно определить коэффициент термоэдс одного материала, а не разность коэффициентов двух материалов, как при непосредственном измерении a  и p. Это позволяет, измерив t и определив из него a. в одном из металлов, получить абсолютную термоэлектрическую шкалу.

Эффект Томсона не имеет технического применения, однако его необходимо учитывать в точных расчетах термоэлектрических устройств.

Эффект был описан и открыт в 1854 г. Вильямом Томсоном, который развил термодинамическую теорию термоэлектричества.

Ключевые слова

• плотность тока
• градиент температуры
• удельная тепловая мощность
• теплота
• тепловой поток
• тепло Джоуля
• термоэдс
• тепло Томсона
• коэффициент Пельтье
• коэффициент термоэдс
• коэффициент Томсона
• термопара
• проводимость металлов
• сила тока
• носители заряда
• полупроводник
• металл

Разделы наук

• Электрический ток в твердых телах

Применение эффекта

Самостоятельного использования в технике эффект Томсона не имеет ввиду малости соответствующих потоков тепла, - однако его следует учитывать при расчетах термоэлектрических устройств, в особенности прецизионных термодатчиков.

Реализации эффекта

Реализация эффекта Томсона в металлах

Для количественного исследования явления Томсона может служить опыт, схема которого приведена на рис. 3.

Схема опыта исследования явления Томсона

Рис. 3

Берутся два одинаковых стержня АВ и СD из испытуемого материала (М). Концы А и С соединяются вместе и поддерживаются при одинаковой температуре (например, ТA=ТC=1000°С). Температуры свободных концов В и D также равны (например, ТВ=ТD=0°С). В опыте измеряют разность температур для двух точек а и b, выбираемых таким образом, чтобы в отсутствие тока их температура была одинакова (Тa=Тb=Т0). При пропускании электрического тока в одном стержне дополнительный поток тепла q проходит слева направо (Qt>0), а в другом - справа налево (Qt<0). В результате между точками а и b возникает разность температур DТ=Тa -Тb, которая регистрируется термопарами. При изменении направления тока знак разности температур изменяется на противоположный.

Литература

1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.5.- С.98-99, 125.

2. Калашников С.Г. Электричество.- М.: Наука, 1979.- С.500-504.

3. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты

Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина