Чудо  - Рациональность - Наука - Духовность

Клуб Исследователь - главная страница

ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ - это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Чем больше знаешь, тем больше убеждаешься что ни чего не знаешь...

Главная

Библиотека

О клубе
ГАИ "Алтай-Космопоиск"
Путеводитель по Алтаю
Маршруты (походы)
   Туризм

X-files

Наука и технологии

Техника и приборы

Косморитмодинамика

Новости

Фотоальбомы

Видеоальбомы

Карты (треки)

Прогноз погоды

Контакты

Форум

Ссылки, баннеры

 

Наш сайт доступен

на

52 языках

 

 
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
 
 
 
 
 
  Locations of visitors to this page
LightRay Рейтинг Сайтов YandeG Яндекс цитирования Яндекс.Метрика

 

Besucherzahler

dating websites

счетчик посещений

russian brides

contador de visitas

счетчик посещений

 

 

Здесь

может быть ваша реклама.

 

Наука и технологии

Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика"
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   По связи разделов
Томсона эффект в металлах
Объемное выделение или поглощение тепла в проводнике при совместном действии электрического тока и градиента температуры

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 (­­ dT/dx), вызывает нагревание проводника (Qt>0), и отрицательным, если при том же направлении тока происходит охлаждение проводника (Qt<0).

 

QttЧDЧIЧ 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 темперптуры в образце

 

 

Рис. 1а

 

Поглощение  тепла Томсона при антипараллельности тока и градиента темперптуры в образце

 

 

Рис. 1б

 

Пусть Т12, 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 aв 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.

 

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 2);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от -2 до 3).

Диаграмма:

Технические 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, ТAC=1000°С). Температуры свободных концов В и D также равны (например, ТВD=0°С). В опыте измеряют разность температур для двух точек а и b, выбираемых таким образом, чтобы в отсутствие тока их температура была одинакова (Тab0). 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.

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.

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.

Ключевые слова

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

Разделы естественных наук:

Полупроводники
Твердые тела
Термодинамика
Термоэлектрические явления
Электрический ток в твердых телах
Электрическое поле

Формализованное описание Показать