ทอมสัน เอฟเฟ็กต์ — ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กตริก

เมื่อกระแสไฟฟ้าตรงผ่านลวด ลวดนั้นจะถูกให้ความร้อนตาม ด้วยกฎจูล-เลนซ์: พลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยปริมาตรของตัวนำจะเท่ากับผลคูณของความหนาแน่นกระแสและความแรงของสนามไฟฟ้าที่กระทำในตัวนำ

นี่เป็นเพราะสิ่งที่เคลื่อนที่ในเส้นลวดภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระก่อตัวเป็นกระแสชนกับโหนดของโครงตาข่ายคริสตัลระหว่างทางและถ่ายโอนพลังงานจลน์ส่วนหนึ่งของพวกมันไปยังพวกมัน เป็นผลให้โหนดของโครงตาข่ายคริสตัลเริ่มสั่นสะเทือนรุนแรงขึ้นนั่นคืออุณหภูมิของตัวนำ เพิ่มขึ้นตลอดปริมาตรของมัน

ยิ่ง ความแรงของสนามไฟฟ้า ในเส้นลวด — ยิ่งความเร็วของอิเล็กตรอนอิสระมีเวลาในการเร่งความเร็วก่อนที่มันจะชนกับโหนดของโครงผลึกมากเท่าใด พลังงานจลน์ก็ยิ่งมีเวลาเพิ่มขึ้นบนเส้นทางอิสระ และยิ่งมีโมเมนตัมที่พวกมันถ่ายโอนไปยังโหนดของ ตาข่ายคริสตัลในขณะนี้กำลังปะทะกับพวกเขาเห็นได้ชัดว่ายิ่งสนามไฟฟ้ามากขึ้น อิเล็กตรอนอิสระในตัวนำยิ่งถูกเร่ง ความร้อนก็ยิ่งถูกปลดปล่อยออกมาในปริมาตรของตัวนำ

ทีนี้ลองจินตนาการว่าลวดด้านหนึ่งถูกทำให้ร้อน นั่นคือปลายด้านหนึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าปลายอีกด้านหนึ่ง ในขณะที่ปลายอีกด้านหนึ่งมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับอากาศโดยรอบโดยประมาณ ซึ่งหมายความว่าในส่วนที่ร้อนของตัวนำ อิเล็กตรอนอิสระจะมีความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนสูงกว่าในส่วนอื่น

หากคุณปล่อยสายไฟทิ้งไว้ตอนนี้ สายจะค่อยๆ เย็นลง ความร้อนบางส่วนจะถ่ายเทโดยตรงไปยังอากาศโดยรอบ ความร้อนบางส่วนจะถ่ายเทไปยังด้านที่มีความร้อนน้อยกว่าของเส้นลวด และจากนั้นไปยังอากาศโดยรอบ

ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนอิสระที่มีอัตราการเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนสูงกว่าจะถ่ายโอนโมเมนตัมไปยังอิเล็กตรอนอิสระในส่วนที่มีความร้อนน้อยกว่าของตัวนำ จนกว่าอุณหภูมิในปริมาตรทั้งหมดของตัวนำจะเท่ากัน นั่นคือ จนกว่าอัตราความร้อน การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระตลอดปริมาตรของตัวนำจะเท่ากัน

มาทำการทดลองให้ซับซ้อนกันเถอะ เราเชื่อมต่อสายไฟเข้ากับแหล่งจ่ายกระแสตรงโดยให้ความร้อนแก่ด้านที่มีเปลวไฟซึ่งจะเชื่อมต่อขั้วลบของแหล่งกำเนิด ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแหล่งกำเนิด อิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดจะเริ่มเคลื่อนที่จากขั้วลบไปยังขั้วบวก

นอกจากนี้ ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดจากการอุ่นลวดจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเหล่านี้จากลบไปบวก

เราสามารถพูดได้ว่าสนามไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดช่วยกระจายความร้อนไปตามเส้นลวด แต่อิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่จากปลายร้อนไปยังปลายเย็นมักจะช้าลง ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะถ่ายเทพลังงานความร้อนเพิ่มเติมไปยังอะตอมที่อยู่รอบๆ

นั่นคือ ในทิศทางของอะตอมที่อยู่รอบๆ อิเล็กตรอนอิสระ ความร้อนเพิ่มเติมจะถูกปล่อยออกมาเมื่อเทียบกับความร้อนของ Joule-Lenz

ตอนนี้ให้ความร้อนด้านหนึ่งของเส้นลวดอีกครั้งด้วยเปลวไฟ แต่เชื่อมต่อแหล่งจ่ายกระแสไฟเข้ากับด้านที่ร้อน ที่ด้านข้างของขั้วลบ อิเล็กตรอนอิสระในตัวนำมีความเร็วของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนต่ำกว่า แต่ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด พวกมันรีบวิ่งไปที่ปลายที่ร้อนจัด

การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอิเล็กตรอนอิสระที่เกิดจากการอุ่นลวดจะแพร่กระจายไปตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเหล่านี้จากลบไปบวก อิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่จากปลายด้านเย็นไปยังปลายด้านร้อนจะถูกเร่งโดยการดูดซับพลังงานความร้อนจากลวดความร้อน ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนอิสระจะดูดซับพลังงานความร้อนของอะตอมที่อยู่รอบๆ อิเล็กตรอนอิสระ

พบผลกระทบดังกล่าว ในปี 1856 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ วิลเลียม ทอมสันซึ่งพบว่า ในตัวนำไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความร้อนไม่สม่ำเสมอ นอกเหนือไปจากความร้อนที่ปล่อยออกมาตามกฎของ Joule-Lenz แล้ว ความร้อนเพิ่มเติมจะถูกปล่อยหรือดูดซับในปริมาตรของตัวนำ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสไฟฟ้า (เอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริกที่สาม) .

ปริมาณความร้อนของทอมสันเป็นสัดส่วนกับขนาดของกระแส ระยะเวลาของกระแส และความแตกต่างของอุณหภูมิในตัวนำเสื้อ — ค่าสัมประสิทธิ์ของทอมสันซึ่งแสดงเป็นโวลต์ต่อเคลวินและมีขนาดเท่ากับ แรงเทอร์โมอิเล็กโทรโมทีฟ.

ผลเทอร์โมอิเล็กทริกอื่น ๆ : เอฟเฟกต์ Seebeck และ Peltier