Thomson-effect - een thermo-elektrisch fenomeen

Wanneer een elektrische gelijkstroom door een draad gaat, wordt die draad overeenkomstig verwarmd met de wet van Joule-Lenz: het vrijgekomen thermisch vermogen per volume-eenheid van de geleider is gelijk aan het product van de stroomdichtheid en de sterkte van het elektrische veld dat in de geleider werkt.

Dit komt omdat degenen die in de draad bewegen onder invloed van een elektrisch veld vrije elektronen, een stroom vormen, botsen onderweg met de knopen van het kristalrooster en dragen een deel van hun kinetische energie daarop over, met als resultaat dat de knopen van het kristalrooster sterker beginnen te trillen, dat wil zeggen de temperatuur van de geleider stijgt door zijn volume.

Meer elektrische veldsterkte in een draad - hoe hoger de snelheid van de vrije elektronen heeft tijd om te versnellen voordat ze botsen met de knooppunten van het kristalrooster, hoe meer kinetische energie ze tijd hebben om te winnen op het vrije pad en hoe meer momentum ze overbrengen naar de knooppunten van het kristalrooster op dit moment op ramkoers met hen.Het is duidelijk dat hoe groter het elektrische veld, de vrije elektronen in de geleider worden versneld, hoe meer warmte er vrijkomt in het volume van de geleider.

Laten we ons nu voorstellen dat de draad aan één kant wordt verwarmd. Dat wil zeggen, het ene uiteinde heeft een hogere temperatuur dan het andere uiteinde, terwijl het andere uiteinde ongeveer dezelfde temperatuur heeft als de omringende lucht. Dit betekent dat in het verwarmde deel van de geleider de vrije elektronen hogere thermische bewegingssnelheden hebben dan in het andere deel.

Als je de draad nu met rust laat, zal hij geleidelijk afkoelen. Een deel van de warmte wordt direct overgedragen aan de omringende lucht, een deel van de warmte wordt overgedragen aan de minder verwarmde kant van de draad en van daaruit naar de omringende lucht.

In dit geval zullen de vrije elektronen met hogere thermische bewegingssnelheden het momentum overbrengen naar de vrije elektronen in het minder verwarmde deel van de geleider totdat de temperatuur in het gehele volume van de geleider gelijk is, dat wil zeggen totdat de thermische beweging van de vrije elektronen door het volume van de geleider wordt geëgaliseerd.

Laten we het experiment ingewikkelder maken. We verbinden de draad met een gelijkstroombron, waarbij we de zijde voorverwarmen met een vlam waarmee de negatieve pool van de bron zal worden verbonden. Onder invloed van het elektrische veld dat door de bron wordt gecreëerd, zullen de vrije elektronen in de draad beginnen te bewegen van de negatieve pool naar de positieve pool.

Bovendien zal het temperatuurverschil dat ontstaat door het voorverwarmen van de draad bijdragen aan de beweging van deze elektronen van min naar plus.

We kunnen zeggen dat het elektrische veld van de bron helpt om warmte langs de draad te verspreiden, maar de vrije elektronen die van het hete uiteinde naar het koude uiteinde gaan, worden meestal vertraagd, wat betekent dat ze extra warmte-energie overdragen aan de omringende atomen.

Dat wil zeggen, in de richting van de atomen die de vrije elektronen omringen, komt extra warmte vrij ten opzichte van de Joule-Lenz-warmte.

Verhit nu weer een kant van de draad met een vlam, maar sluit de stroombron met een positieve kabel aan op de verwarmde kant. Aan de kant van de negatieve pool hebben de vrije elektronen in de geleider lagere snelheden van thermische beweging, maar onder invloed van het elektrische veld van de bron rennen ze naar het verwarmde uiteinde.

De thermische beweging van vrije elektronen die wordt gecreëerd door de draad voor te verwarmen, plant zich voort in de beweging van deze elektronen van min naar plus. Vrije elektronen die van het koude uiteinde naar het hete uiteinde bewegen, worden over het algemeen versneld door warmte-energie van de verwarmde draad te absorberen, wat betekent dat ze de warmte-energie absorberen van de atomen die de vrije elektronen omringen.

Dit effect is gevonden in 1856 Britse natuurkundige Willem Thomsondie vond dat in een gelijkmatig niet-uniform verwarmde gelijkstroomgeleider zal, naast de warmte die vrijkomt in overeenstemming met de wet van Joule-Lenz, extra warmte worden vrijgegeven of geabsorbeerd in het volume van de geleider, afhankelijk van de richting van de stroom (derde thermo-elektrisch effect) .

De hoeveelheid Thomson-warmte is evenredig met de grootte van de stroom, de duur van de stroom en het temperatuurverschil in de geleider.t — Thomson-coëfficiënt, die wordt uitgedrukt in volt per kelvin en dezelfde grootte heeft als thermo-elektromotorische kracht.

Andere thermo-elektrische effecten: Seebeck en Peltier-effect