Thomson-Effekt – ein thermoelektrisches Phänomen
Wenn ein elektrischer Gleichstrom durch einen Draht fließt, wird dieser Draht entsprechend erhitzt mit dem Joule-Lenz-Gesetz: Die freigesetzte Wärmeleistung pro Volumeneinheit des Leiters ist gleich dem Produkt aus der Stromdichte und der Stärke des im Leiter wirkenden elektrischen Feldes.
Dies liegt daran, dass sie sich unter Einwirkung eines elektrischen Feldes im Draht bewegen freie Elektronen, einen Strom bildend, kollidieren unterwegs mit den Knoten des Kristallgitters und übertragen einen Teil ihrer kinetischen Energie auf diese, wodurch die Knoten des Kristallgitters stärker zu schwingen beginnen, also die Temperatur des Leiters steigt über sein gesamtes Volumen.
Je mehr elektrische Feldstärke in einem Draht – je höher die Geschwindigkeit der freien Elektronen ist, die Zeit haben, sich zu beschleunigen, bevor sie mit den Knoten des Kristallgitters kollidieren, desto mehr kinetische Energie können sie auf dem freien Weg gewinnen und desto mehr Impuls übertragen sie auf die Knoten des Kristallgitters Das Kristallgitter befindet sich derzeit auf Kollisionskurs mit ihnen.Es ist offensichtlich, dass je größer das elektrische Feld ist, die freien Elektronen im Leiter beschleunigt werden, desto mehr Wärme wird im Volumen des Leiters freigesetzt.
Stellen wir uns nun vor, dass der Draht auf einer Seite erhitzt wird. Das heißt, ein Ende hat eine höhere Temperatur als das andere Ende, während das andere Ende ungefähr die gleiche Temperatur wie die Umgebungsluft hat. Dies bedeutet, dass die freien Elektronen im erhitzten Teil des Leiters eine höhere thermische Bewegungsgeschwindigkeit haben als im anderen Teil.
Wenn Sie den Draht jetzt in Ruhe lassen, kühlt er allmählich ab. Ein Teil der Wärme wird direkt an die Umgebungsluft übertragen, ein Teil der Wärme wird an die weniger erhitzte Seite des Drahtes und von dort an die Umgebungsluft übertragen.
In diesem Fall übertragen die freien Elektronen mit höheren thermischen Bewegungsgeschwindigkeiten den Impuls auf die freien Elektronen im weniger erhitzten Teil des Leiters, bis die Temperatur im gesamten Volumen des Leiters ausgeglichen ist, d. h. bis die thermischen Geschwindigkeiten sinken Die Bewegung der freien Elektronen im gesamten Volumen des Leiters wird ausgeglichen.
Machen wir das Experiment komplizierter. Wir verbinden den Draht mit einer Gleichstromquelle und erhitzen die Seite mit einer Flamme vor, an die der Minuspol der Quelle angeschlossen wird. Unter dem Einfluss des von der Quelle erzeugten elektrischen Feldes beginnen die freien Elektronen im Draht, sich vom Minuspol zum Pluspol zu bewegen.
Darüber hinaus trägt der durch das Vorheizen des Drahtes entstehende Temperaturunterschied zur Bewegung dieser Elektronen von Minus nach Plus bei.
Man kann sagen, dass das elektrische Feld der Quelle dazu beiträgt, die Wärme entlang des Drahtes zu verteilen, aber die freien Elektronen, die sich vom heißen Ende zum kalten Ende bewegen, werden normalerweise verlangsamt, was bedeutet, dass sie zusätzliche Wärmeenergie an die umgebenden Atome übertragen.
Das heißt, in Richtung der die freien Elektronen umgebenden Atome wird gegenüber der Joule-Lenz-Wärme zusätzliche Wärme abgegeben.
Erhitzen Sie nun erneut eine Seite des Drahtes mit einer Flamme, schließen Sie jedoch die Stromquelle mit Plusleitung an die erhitzte Seite an. Auf der Seite des Minuspols haben die freien Elektronen im Leiter geringere thermische Bewegungsgeschwindigkeiten, aber unter der Wirkung des elektrischen Feldes der Quelle strömen sie zum beheizten Ende.
Die thermische Bewegung freier Elektronen, die durch das Vorheizen des Drahtes erzeugt wird, pflanzt sich in die Bewegung dieser Elektronen von Minus nach Plus fort. Freie Elektronen, die sich vom kalten Ende zum heißen Ende bewegen, werden im Allgemeinen beschleunigt, indem sie Wärmeenergie vom erhitzten Draht absorbieren, was bedeutet, dass sie die Wärmeenergie der Atome absorbieren, die die freien Elektronen umgeben.
Dieser Effekt wurde gefunden im Jahr 1856 Britischer Physiker William Thomsondie das gefunden haben Bei einem gleichmäßig ungleichmäßig beheizten Gleichstromleiter wird zusätzlich zu der gemäß dem Joule-Lenz-Gesetz freigesetzten Wärme je nach Stromrichtung zusätzliche Wärme im Volumen des Leiters abgegeben oder absorbiert (dritter thermoelektrischer Effekt). .
Die Menge der Thomson-Wärme ist proportional zur Stärke des Stroms, der Dauer des Stroms und der Temperaturdifferenz im Leiter.t – Thomson-Koeffizient, der in Volt pro Kelvin ausgedrückt wird und die gleiche Größe hat wie thermoelektromotorische Kraft.
Weitere thermoelektrische Effekte: Seebeck- und Peltier-Effekt