9.1.2.Ефект Томсона

Досліджуючи термоелектричні явища Томсон (1856р.) встановив, що навіть в однорідному провіднику, якщо його нагріти нерівномірно, при наявності струму відбувається виділення або поглинання теплоти, яка або додається до теплоти Джоуля-Ленца, або віднімається від неї.

На рис. 9.2 приведено схему досліду для вимірювання теплоти Томсона.

Рис. 9.2.Схема досліду спостереження явища Томсона

Два однакових стержня А і В, виготовлених із одного і того ж матеріалу, включені в коло струму, а кінці стержнів підтримуються при різних температурах, наприклад, 100°С і 0°С. В стержнях виникає градієнт температури dT/dx і з'являються потоки тепла. В одному із стержнів напрямок струму і градієнт температури однакові, а в іншому - протилежні. В досліді вимірюють різницю температур для двох точок а і б, вибраних таким чином, щоб у відсутності струму температура в них була однакова. Для вимірювання температури в точках а і б поміщають спаї термопар. При наявності струму температури точок а і б будуть різними. Це вказує на те, що в одному із стержнів, додатково до теплоти Джоуля-Ленца, виділяється деяка кількість теплоти (тепло Томсона), а в іншому стержні – поглинається. При зміні напрямку струму (або напрямку потоку тепла) у всіх провідниках спостерігається зміна знаку ефекту, тобто замість виділення теплоти відбувається її поглинання і навпаки. Так, якщо на деякий малій дільниці провідника є невеликий перепад температур dТ, то виділення або поглинання кількості тепла dq_σ (в Дж/c) визначається із виразу:

dq_σ = σ_A ∙ IdT (9.2)

де σ_A- коефіцієнт Томсона для матеріалу А, σ_AdT – е.р.с. Томсона. Як і в ефекті Пельтьє, виділення тепла змінюється поглинанням (або навпаки) при зміні знаку dТ. Якщо два кінця провідника підтримувати при температурах відповідно Т₁ і Т₂ ( Т₂ > Т₁), то загальна кількість поглинутої або виділеної внаслідок ефекту Томсона теплоти за секунду становить:

(9.3)

У деяких матеріалах теплота виділяється, коли градієнт потенціалу і температури мають один і той самий знак, в інших при таких умовах теплота поглинається. Прийнято рахувати, що в першому випадку коефіцієнт σ_A має додатній знак.

Явище Томсона пояснюється зміною властивостей провідника при його нагріванні. Початково однорідний провідник при нерівномірному нагріванні стає неоднорідним, і тому явище Томсона являє собою по суті своєрідним явищем Пельтьє із тією тільки різницею, що в даному випадку неоднорідність викликана не відмінністю хімічного складу, а неоднаковістю температури.

Слід відмітити відмінність між ефектами Томсона і Пельтьє та явища виділення тепла Джоуля-Ленца у провіднику із струмом. Перших два ефекти термодинамічно повністю зворотні, в той час як тепло Джоуля-Ленца пропорційне квадрату сили струму (Q = I²∙R∙t), не залежить від його напрямку і незворотнє (при протіканні електричного струму виділяється тепло Джоуля-Ленца, але при нагріванні не виникає струму). Кількість теплоти Джоуля-Ленца залежить від опору провідника, в той час як теплота Пельтьє від нього не залежить зовсім.