トムソン効果 — 熱電現象

直流電流がワイヤを通過すると、そのワイヤは次のように加熱されます。 ジュール・レンツの法則と: 導体の単位体積あたりに放出される熱出力は、電流密度と導体に作用する電界の強さの積に等しい。

これは、電界の作用下でワイヤ内を移動するものがあるためです。 自由電子、電流を形成し、途中で結晶格子のノードに衝突し、運動エネルギーの一部をそれらに伝達します。その結果、結晶格子のノードはより強く振動し始めます、つまり、導体の温度ボリューム全体にわたって上昇します。

もっと 電界強度 ワイヤー内 - 自由電子の速度が速いほど、結晶格子のノードに衝突する前に加速する時間があり、自由電子経路でより多くの運動エネルギーを得る時間があり、より多くの運動量が結晶格子のノードに伝達されます。現時点での結晶格子はそれらとの衝突コースにあります。電場が大きくなるほど、導体内の自由電子が加速され、導体の体積内でより多くの熱が放出されることは明らかです。

ここで、片側のワイヤが加熱されると想像してみましょう。つまり、一端の温度は他端よりも高く、他端の温度は周囲の空気とほぼ同じです。これは、導体の加熱部分では自由電子の熱移動速度が他の部分よりも速いことを意味します。

このまま放っておくと徐々に冷えていきます。熱の一部は周囲の空気に直接伝達され、熱の一部はワイヤの加熱されない側に伝達され、そこから周囲の空気に伝達されます。

この場合、導体の体積全体の温度が等しくなるまで、つまり熱移動速度が等しくなるまで、より高い熱移動速度を持つ自由電子が、導体のあまり加熱されない部分の自由電子に運動量を伝達します。導体の体積全体にわたる自由電子の動きが均一になります。

実験を複雑にしてみましょう。ワイヤーを直流電源に接続し、電源のマイナス端子が接続される側を炎で予熱します。ソースによって生成された電場の影響を受けて、ワイヤ内の自由電子はマイナス端子からプラス端子に移動し始めます。

さらに、ワイヤの予熱によって生じる温度差は、これらの電子のマイナスからプラスへの移動に寄与します。

ソースの電場はワイヤに沿って熱を拡散するのに役立っていると言えますが、自由電子が高温端から低温端に移動する速度は通常遅くなり、追加の熱エネルギーが周囲の原子に伝達されることを意味します。

つまり、自由電子を取り囲む原子の方向に、ジュールレンツ熱に比べて追加の熱が放出されます。

次に、ワイヤの片側を炎で再度加熱しますが、電流源をプラスのリード線で加熱された側に接続します。マイナス端子側では、導体内の自由電子の熱移動速度は遅くなりますが、ソースの電場の作用により、加熱された端に向かって勢いよく進みます。

ワイヤを予熱することによって生じた自由電子の熱運動は、これらの電子の運動にマイナスからプラスへ伝播します。コールドエンドからホットエンドへ移動する自由電子は、一般に加熱されたワイヤからの熱エネルギーを吸収することによって加速されます。つまり、自由電子は自由電子の周囲の原子の熱エネルギーを吸収します。

この効果が見つかりました 1856年に イギリスの物理学者 ウィリアム・トムソンそれを見つけたのは 均一に不均一に加熱された直流導体では、ジュール・レンツの法則に従って放出される熱に加えて、電流の方向に応じて追加の熱が導体の体積内で放出または吸収されます（第 3 の熱電効果）。 。

トムソン熱の量は、電流の大きさ、電流の持続時間、導体の温度差に比例します。t — ケルビンあたりのボルトで表され、次と同じサイズのトムソン係数。 熱起電力.

その他の熱電効果: ゼーベック効果とペルチェ効果