Эфект Томсана

Эфект Томсана — адна з тэрмаэлектрычных з’яў, якая заключаецца ў тым, што ў аднародным нераўнамерна нагрэтым правадніку з пастаянным токам, дадаткова да цеплыні, якая выдзяляецца ў адпаведнасці з законам Джоўля — Ленца, у аб’ёме правадніка будзе выдзяляцца ці паглынацца дадатковая цеплыня Томсана ў залежнасці ад кірунку току.

Колькасць цеплыні Томсана прапарцыянальная сіле току, часу і перападу тэмператур, залежыць ад кірунку току.

Эфект адкрыты В. Томсанам у 1856.

Фізіка з’явы

Тлумачэнне эфекту ў першым прыбліжэнні заключаецца ў наступным. Ва ўмовах, калі ўздоўж правадніка, па якім працякае ток, існуе градыент тэмпературы, прычым напрамак току адпавядае руху электронаў ад гарачага канца да халоднага, пры пераходзе з больш гарачага сячэння ў больш халоднае, электроны перадаюць лішнюю энергію навакольным атамам (выдзяляецца цеплыня), а пры зваротным кірунку току, праходзячы з больш халоднага ўчастка ў больш гарачы, папаўняюць сваю энергію за кошт навакольных атамаў (цеплыня паглынаецца).

У паўправадніках важным з’яўляецца тое, што канцэнтрацыя носьбітаў у іх моцна залежыць ад тэмпературы. Калі паўправаднік нагрэць нераўнамерна, то канцэнтрацыя носьбітаў зарада ў ім будзе больш там, дзе вышэй тэмпература, таму градыент тэмпературы прыводзіць да градыента канцэнтрацыі, ад чаго ўзнікае дыфузійны паток носьбітаў зарада. Гэта прыводзіць да парушэння электранейтральнасці. Падзел зарадаў спараджае электрычнае поле, якое перашкаджае падзелу. Такім чынам, калі ў паўправадніку маецца градыент тэмпературы, то ў ім маецца аб’ёмнае электрычнае поле $E'$.

Дапусцім цяпер, што праз такі ўзор прапускаецца электрычны ток пад дзеяннем знешняга электрычнага поля $E$. Калі ток ідзе супраць ўнутранага поля $E'$, то знешняе поле павінна здзяйсняць дадатковую работу пры перамяшчэнні зарадаў адносна поля $E'$, што прывядзе да выдзялення цяпла, дадатковага да ленц-джоўлевых страт. Калі ток (або знешняе поле $E$) накіраваны па $E'$, то $E'$ само здзяйсняе работу па перамяшчэнні зарадаў для стварэння току. У гэтым выпадку знешняя крыніца траціць энергію для падтрымання току меншую, чым калі ўнутранага поля $E'$ няма. Работа поля $E'$ можа здзяйсняцца толькі за кошт цеплавой энергіі самога правадніка, таму ён астуджаецца. З’ява выдзялення або паглынання цяпла ў правадніку, абумоўленае градыентам тэмпературы, пры праходжанні току носіць назву эфекту Томсана. Такім чынам, рэчыва награваецца, калі палі $E$ і $E'$ процілегла накіраваныя, і астуджаецца, калі іх напрамкі супадаюць.

У агульным выпадку, колькасць цяпла, якое выдзяляецца ў аб’ёме $dV$, вызначаецца суадносінамі:

$dQ^{T}=-\tau \,(\nabla T\cdot \mathbf {j} )\,dt\,dV,$

дзе $\tau$ — каэфіцыент Томсана.

Гл. таксама

• Эфект Зеебека
• Тэрмаэлектрычныя з’явы

Літаратура

• Томсана з'ява // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 15: Следавікі — Трыо / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 2002. — Т. 15. С. 485.