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 (D V=S D x ) за время t :

.

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

Q t = tЧD T Ч I Ч 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 Т 1 >Т 2 , 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 (Q t >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 (Q t <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 Е Т , 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 Е Т (связанное с термоэдс) будет тормозить электроны, что приводит к охлаждению участка 1-2 (Q t <0 ).

На рис. 2б изображена обратная ситуация: электрическое поле термоэдс Е Т ускоряет электроны проводимости, в результате чего на участке проводника 1-2 происходит выделение тепла Томсона (Q t >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 Q t . 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.

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, Т A =Т C =1000 ° С ). Температуры свободных концов В и D также равны (например, Т В =Т D =0 ° С ). В опыте измеряют разность температур для двух точек а и b , выбираемых таким образом, чтобы в отсутствие тока их температура была одинакова (Т a =Т b =Т 0 ). При пропускании электрического тока в одном стержне дополнительный поток тепла q проходит слева направо (Q t >0 ), а в другом - справа налево (Q t <0 ). В результате между точками а и b возникает разность температур D Т=Т a -Т b , которая регистрируется термопарами. При изменении направления тока знак разности температур изменяется на противоположный.

Как уже обсуждалось, на контакте двух металлов возникает внутренняя разность потенциалов. Если температуры обоих спаев равны, то и разности потенциалов равны. В случае разницы температур термоЭДС равна сумме внутренних разностей потенциалов на контактах: . При другом соотношении температур, соответственно изменяется величина и направление термоэлектрического тока.

В 1834 г. Ж.Пельтье обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока, в зависимости от его направления, помимо тепла Джоуля-Ленца выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом явление Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека.

Термоэлектродвижущей силой называется ЭДС, которую вводят для характеристики этого явления. Величина термоЭДС пропорциональна разности температур спаев двух контактов:

, где ~10 -5 В/К. Например, термоЭДС для пары медь-константан 4,25мВ при разности температур 100 К.

РИС.215 РИС.216 РИС.217 РИС.218

В отличие от теплоты Джоуля-Ленца, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.

Где П – коэффициент Пельтье, зависящий от химической природы металлов и температуры

Согласно наблюдениям Пельтье, при пропускании тока через те же два металла, что и в опыте Зеебека, но с одинаковой температурой спаев, один из них нагревается, а другой охлаждается. Если направление тока совпадает с термотоком, то нагревается спай В и охлаждается спай А (рис.216), а если направление тока противоположно, то наоборот.

Определить коэффициент Пельтье можно при калориметрических измерениях количества теплоты в спаях двух металлов (рис.217). При пропускании тока в указанном направлении через контакт меди и висмута, в первом сосуде выделяется , а во втором . Следовательно: . Для металлов коэффициент Пельтье ~ 10 -3 -10 -2 В, а для полупроводников ~ 0,003-0,3 В.

Объясняется явление Пельтье тем, что при переходе электрона из одного металла в другой изменяется его полная энергия, а, следовательно, в одном спае внутренняя энергия переходит в энергию электронов, а в другом энергия электронов отдается кристаллической решетке, что соответствует закону сохранения энергии.

При малой силе тока теплота Пельтье может превышать теплоту Джоуля-Ленца, что используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством А.Ф.Иоффе, а также в других приборах.

В.Томсон теоретически обосновал, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение или поглощение теплоты. Проведенный им для проверки эксперимент получил название явление Томсона.

Суть эксперимента состояла в том, что концы двух металлических стержней поддерживались при различной температуре, а по цепи, в которую стержни были подсоединены, пропускался постоянный ток (рис. 218). Без тока точки 1 и 2 имели одинаковую температуру, а при пропускании тока между точками 1 и 2 регистрировалась разница температур. Выделение или поглощение тепла зависело от химической природы проводников и соотношения градиента температуры и направления тока.

Например, для цинка наблюдалось выделение тепла, если возрастание температуры совпадало с направлением силы тока, а для железа – наоборот.

Эффект Томсона, как и другие термоэлектрические явления, наиболее корректно и количественно обосновывается в рамках квантовых представлений об энергетических состояниях электрона при различных условиях в кристаллической структуре.

В 1820 появилось сообщение Г.Эрстеда о том, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током. В 1821 Т.Зеебек отметил, что стрелка отклоняется также, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре. Зеебек сначала полагал, что это чисто магнитный эффект. Но впоследствии стало ясно, что разность температур вызывает появление электрического тока в цепи (рис. 1). Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи V AB (T 1 , T 2), зависящее от температур T 1 и T 2 спаев (рис. 2), называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Зеебек заложил основы для дальнейших работ в области термоэлектричества, измерив термо-ЭДС широкого круга твердых и жидких металлов, сплавов, минералов и даже ряда веществ, ныне называемых полупроводниками.

Электротермический эффект Пельтье.

В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном – охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.

Электротермический эффект Томсона.

В 1854 У.Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается. Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Термопара.

Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T 1 на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T 2 другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от - 160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или - 273,16° C).

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, – величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T 1 , а другой – при температуре T 2 . Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.

Термоэлектрические свойства металлов.

Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Поэтому его обычно и используют для измерения термоэлектрических коэффициентов неизвестных материалов. Поскольку термо-ЭДС определяется свойствами обеих ветвей термопары, одна ветвь должна быть из некоего «опорного» материала, для которого известна «удельная» термо-ЭДС (термо-ЭДС на один градус разности температур). Если одна ветвь термопары находится в сверхпроводящем состоянии, то ее удельная термо-ЭДС равна нулю и термо-ЭДС термопары определяется величиной удельной термо-ЭДС другой ветви. Таким образом, сверхпроводник – идеальный «опорный» материал для измерения удельной термо-ЭДС неизвестных материалов. До 1986 самая высокая температура, при которой металл можно было поддерживать в сверхпроводящем состоянии, составляла лишь 10 К (- 263° C). В настоящее время сверхпроводники можно использовать приблизительно до 100 К (- 173° C). При более высоких температурах приходится проводить измерения с несверхпроводящими опорными материалами. До комнатной и несколько более высоких температур опорным материалом обычно служит свинец, а при еще более высоких – золото и платина. См . также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие – одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом – мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов – колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

Термоэлектрические свойства полупроводников.

В 1920–1930-х годах ученые обнаружили ряд материалов с низкой проводимостью, ныне называемых полупроводниками, удельные термо-ЭДС которых в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термо-ЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение. Как и в случае металлов, термо-ЭДС полупроводников имеют две составляющие (связанные с диффузией электронов и с их фононным увлечением) и могут быть отрицательными или положительными. Наилучшие термобатареи получаются из полупроводников с термо-ЭДС противоположного знака.

Термоэлектрические приборы.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16–17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20–40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать либо как термоэлектрический нагреватель (например, для бутылочек с детским питанием), либо как термоэлектрический холодильник. См. также ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается сравнительным показателем качества

Z = (S 2 s T)/k ,

где T – температура, S – удельная термо-ЭДС, k – удельная теплопроводность, а s – удельная электропроводность. Чем больше S , тем больше термо-ЭДС при данной разности температур. Чем больше s , тем больше может быть ток в цепи. Чем меньше k , тем легче поддерживать необходимую разность температур на спаях термобатареи.

ТОМСОНА ЭФФЕКТ

Выделение или поглощение теплоты в проводнике с током, вдоль к-рого имеется градиент темп-ры, происходящее помимо выделения джоулевой теплоты. Теплота Томсона Qs пропорц. силе тока I, времени t и перепаду темп-ры (Т1-Т2): Qs=S(I1-I2)It. Коэфф. Томсона S - хар-ка проводника. Т. э. предсказан в 1856 англ. физиком У. Томсоном (лорд Кельвин) и установлен экспериментально франц. физиком Леру и др.

Согласно теории Томсона, уд. термоэдс пары проводников связана с их коэфф. S1 и S2 соотношением:

da/dT=(S1-S2)/T,

где a - коэфф. Зеебека (см. ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ).

Если вдоль проводника, по к-рому протекает ток, существует градиент темп-ры, причём направление тока соответствует движению эл-нов от горячего конца к холодному, то при переходе из более нагретого участка в более холодный эл-ны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота); при обратном направлении тока эл-ны, переходя из более холодного участка в более горячий, ускоряются полем термоэдс и пополняют свою энергию за счёт энергии окружающих атомов (теплота поглощается). Этим и объясняется (в первом приближении) Т. э.

• - дроссель-эффект, - изменение темп-ры газа при его адиабатич. дросселировании, т. е. понижении давления газа при его протекании через пористую перегородку, диафрагму или вентиль без теплообмена с окружающей средой...
• - разница потенциалов, которая образуется между двумя точками металлического проводника, если эти две точки имеют разные температуры. Эффект назван по имени Уильяма Томсона. см. также ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО...

  Научно-технический энциклопедический словарь

• - см. Дросселирование...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - см. Гликогеноз VII...

  Большой медицинский словарь

• - инструмент для дробления конкрементов в мочевом пузыре с рабочей частью в виде металлических губок, которые сводились с помощью винта; предшественник современных механических литотрипторов...

  Большой медицинский словарь

• - см. Пойкилодермия наследственная склерозирующая...

  Большой медицинский словарь

• - ф-ла, выражающая зависимость периода Т незатухающих собственных колебаний в колебательном контуре от его параметров - индуктивности L и ёмкости С: Т = 2ПИ корень из LC ...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - выделение или поглощение теплоты, помимо джоулевой, в проводнике с током, в к-ром существует перепад темп-р. Эффект описывается ф-лой: О = т/t Дельта Т, где I - сила тока, t - время, Дельта Т - перепад темп-р. т - коэфф...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - 1...

  Энциклопедический словарь по металлургии

• - изменение температуры газа в результате медленного протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель - местное препятствие потоку газа...
• - «Томсон организейшен, лимитед» , одно из крупнейших газетно-издательских объединений Великобритании. Во главе концерна - барон Г. Томсон...

  Большая Советская энциклопедия

• - подводный хребет между Фарерскими островами и северным побережьем острова Великобритания...

  Большая Советская энциклопедия

• - I То́мсона эффе́кт термоэлектрический, одно из термоэлектрических явлений...

  Большая Советская энциклопедия

• - Томсона эффект в ферромагнетиках, изменение удельного электрического сопротивления ферромагнетиков при их намагничивании внешним магнитным полем. Открыт У. Томсоном в 1851...

  Большая Советская энциклопедия

• - Томсона эффект термоэлектрический, одно из термоэлектрических явлений...

  Большая Советская энциклопедия

• - дополнительное выделение или поглощение тепла при прохождении тока через проводник, в котором имеется перепад температуры. Количество тепла пропорционально току и перепаду температуры...

  Большой энциклопедический словарь

"ТОМСОНА ЭФФЕКТ" в книгах

МЕТОД МАКСВЕЛЛА И «АНАЛОГИИ» ТОМСОНА

Из книги Максвелл автора Карцев Владимир Петрович

МЕТОД МАКСВЕЛЛА И «АНАЛОГИИ» ТОМСОНА Максвеллу было ясно, что Фарадей прав и его силовые линии были поистине великим открытием. Но фарадеевские силовые линии не годились для расчетов. Нельзя было, например, наперед сказать, каковы будут силовые линии двух совокупностей

Вопрос 10 Реакция потребителя на изменение цены. Эффект замены и эффект дохода.

Из книги Микроэкономика автора

Вопрос 10 Реакция потребителя на изменение цены. Эффект замены и эффект дохода. ОТВЕТИЗМЕНЕНИЕ ЦЕНЫ на одно благо при фиксированном доходе и неизменных ценах на другие блага вызывает смещение бюджетной линии в точку, более удаленную или более близкую к началу

Вопрос 11 Эффект замены и эффект дохода по Слуцкому и по Хиксу.

Из книги Микроэкономика автора Вечканова Галина Ростиславовна

5. Эффект дохода и эффект замещения

Из книги Микроэкономика: конспект лекций автора Тюрина Анна

5. Эффект дохода и эффект замещения Закон спроса характеризуется тем, что объемы покупок и благ, предназначенных для потребления, связаны с ценой обратной зависимостью. Сама структура спроса непосредственно зависит от действия рыночного механизма и условий

Из предисловия бывшего начальника британской разведки Бэзиля Томсона

Из книги Американская разведка во время мировой войны автора Джонсон Томас М

Из предисловия бывшего начальника британской разведки Бэзиля Томсона Если я берусь написать предисловие к этой книге, то делаю это потому, что знал лично много коллег Джонсона и могу отдать себе отчет в той старательности, с какой они выполняли свою работу. Автор говорит

«Теория заговора», эффект «хлыста» и эффект «кокоса»

Из книги автора

«Теория заговора», эффект «хлыста» и эффект «кокоса» Многие современные российские политологи и социологи высказываются в пользу той точки зрения, что явления глобальной политики и экономики не случайны, но руководимы волей человека или, что точнее, группы конкретных

1853 г. Сименс, Гальске, Физо, формула Томсона

Из книги Популярная история - от электричества до телевидения автора Кучин Владимир

1853 г. Сименс, Гальске, Физо, формула Томсона В 1853 году Эрнст Вернер фон Сименс начал сооружение в России линии телеграфа своей конструкции от Петербурга до Севастополя, работы были завершены в 1856 году. В России в это время шла Крымская война, и щедрое финансирование

Почему первое впечатление обманчиво Позиционный эффект и эффект недавности

Из книги Территория заблуждений [Какие ошибки совершают умные люди] автора Добелли Рольф

Почему первое впечатление обманчиво Позиционный эффект и эффект недавности Позвольте представить вам двух мужчин: Ален и Бен. Определитесь без долгих раздумий, кто из них вам больше нравится. Ален умен, прилежен, импульсивен, критичен, упрям, завистлив. Бен, напротив,

Комитет Томсона

Из книги Горячий пепел автора Овчинников Всеволод Владимирович

Комитет Томсона 10 апреля 1940 года в Лондоне в старинном викторианском здании Королевского общества собрались члены комитета Томсона. Этот субсидируемый правительством орган был учрежден, чтобы заниматься вопросами военного применения атомной энергии.- Джентльмены! -

Предисловие Гарнера Томсона

Из книги ТРАНСформация автора Бендлер Ричард

Предисловие Гарнера Томсона Я был глубоко польщен, когда мне предложили редактировать книгу доктора Ричарда Бендлера о гипнозе и нейро- лингвистическом программировании. Жизнь не часто сводит нас с подобными людьми, которые делают невозможное возможным ради блага

Объемное выделение или поглощение тепла в полупроводнике 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 полупроводник (или проводник), вдоль которого существует градиент температуры, в нем, помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла (теплота Томсона).

Неравномерное нагревание первоначально однородного образца меняет его свойства, делая вещество неоднородным. Поэтому явление Томсона это, в сущности, своеобразное явление Пельтье с той разницей, что неоднородность вызвана не различием химического состава образца, 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 полупроводника (удельная тепловая мощность);

j - плотность тока;

Градиент температуры вдоль образца;

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

Приведенная выше формула (так называемая дифференциальная форма закона) может быть применена к отрезку образца x , вдоль которого течет ток I и имеется некоторый перепад температур: (см. рис. 1).

Полупроводник со смешанной проводимостью

Рис. 1

Закон Томсона в интегральной форме определяет полное количество тепла Томсона Q t , выделившееся (или поглотившееся) во всем рассматриваемом объеме полупроводника (D V=S ЧD x ) за время t :

,

или окончательно:

Q t = tЧD T Ч I Ч t.

При этом эффект Томсона считается положительным, если электрический ток, текущий в направлении градиента температуры (I ­­ dT /d x), вызывает нагревание полупроводника (Q t >0) , и отрицательным, если при том же направлении тока происходит его охлаждение (Q t <0) .

Объяснение явления Томсона для полупроводников с одним типом носителей (электроны или дырки) аналогично случаю металлических проводников. Во-первых, необходимо учесть изменение средней энергии носителей заряда вдоль образца из-за его неравномерного нагрева. В более нагретой части полупроводника средняя энергия электронов (или дырок) больше, чем в менее нагретой. Поэтому, если направление тока в полупроводнике соответствует движению носителей тока от горячего конца к холодному, то они будут передавать свою избыточную энергию кристаллической решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона (Q t >0 ).

При обратном направлении тока носители заряда, двигаясь от холодного конца к нагретому, будут пополнять свою энергию за счет решетки, т.е. происходит поглощение соответствующего количества теплоты (Q t <0 ).

В полупрводниках со смешанной проводимостью при наличии тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу, и переносимые ими тепловые потоки будут компенсироваться. Так, на рис. 1дырки движутся от горячего конца к холодному, что при отсутствии электронной проводимости должно приводить к выделению тепла Томсона. Однако с движением электронов (от холодного конца к горячему) связано поглощение тепла. В результате, при равенстве концентраций и подвижностей электронов и дырок тепло Томсона не выделяется (Q t =0 ).

Второй фактор, который необходимо учесть, связан с электрическим полем термоэдс, возникающим в условиях неоднородности температуры (рис. 2, 3).

Выделение и поглощение тепла Томсона в электронном полупроводнике

n - semiconductor

Рис. 2

Выделение и поглощение тепла Томсона в дырочном полупроводнике

p - semiconductor

Рис. 3

Рассмотрим полупроводник с электронной проводимостью. Пусть Т1 >Т2 , т.е. градиент температуры направлен от точки 2 к точке 1 (рис. 2). Диффузия электронов от горячего конца к холодному приводит к разделению зарядов, в результате возникает электрическое поле термоэдс Е Т , направленное от 1 к 2 , т.е. против градиента температуры. Если ток течет в направлении градиента температуры (электроны движутся в направлении поля Е Т ), то поле Е Т будет замедлять электроны, а участок полупроводника 1-2 станет охлаждаться (Q t <0 ). Если ток течет в обратном направлении, то произойдет нагревание участка 1-2 .

В дырочном полупроводнике соотношения будут обратными (рис. 3). Явление выглядит так, как если бы на обычный поток тепла, вызванный теплопроводностью, накладывался дополнительный поток тепла, связанный с прохождением электрического тока. В дырочных полупроводниках дополнительный поток тепла направлен в ту же сторону, куда течет электрический ток. В электронных полупроводниках направления тока и тепла противоположны.

Рассмотренные факторы действуют в противоположных направлениях, определяя не только величину, но и знак t и Q t .

Для количественного исследования явления Томсона может служить опыт, схема которого приведена на рис. 4.

Схема опыта по наблюдению эффекта Томсона

Рис. 4

Берутся два одинаковых стержня АВ и СD из испытуемого материала (например полупроводник р - типа). Концы А и С соединяются вместе и поддерживаются при одинаковой температуре (например, Т A =Т C =100 ° С ). Температуры свободных концов В и D также равны (например, Т В =Т D =0 ° С ). В опыте измеряют разность температур для двух точек а и b , выбираемых таким образом, чтобы в отсутствие тока их температура была одинакова (Т a =Т b =Т 0 ). При пропускании электрического тока в одном стержне (на рисунке - это стержень CD ) дополнительный поток тепла проходит слева направо (Q t >0 ), а в другом стержне (AB ) - справа налево (Q t <0 ). В результате между точками а и b возникает разность температур D Т=Т a -Т b , которая регистрируется термопарами. При изменении направления тока знак разности температур изменяется на противоположный.

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

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

.

Для цепи, составленной из двух разнородных материалов, имеем:

.

Учитывая эти соотношения, можно получит величину зависимости t от температуры, концентрации носителей и др.

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.