Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Эффект Томсона — обратимое выделение или поглощение тепла, происходящее в однородном проводнике, по которому течёт электрический ток, при наличии вдоль него градиента температуры. В отличие от джоулева нагрева, это тепло меняет знак при изменении направления тока. Эффект завершает триаду термоэлектрических явлений, связывая открытия Зеебека и Пельтье через соотношения Кельвина.
Эффект Томсона — один из трёх классических термоэлектрических эффектов наряду с эффектом Зеебека (1821) и эффектом Пельтье (1834). Предсказан и экспериментально обнаружен Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1851 году.
Суть явления: если в проводнике одновременно существуют градиент температуры и электрический ток, то в каждой точке материала к обычному джоулеву теплу добавляется или вычитается дополнительное обратимое тепло Томсона. Его знак зависит от знака коэффициента Томсона данного материала и взаимного направления тока и теплового потока.
Физическая природа. Электроны проводимости, двигаясь от горячего конца к холодному (или наоборот), переносят свою тепловую энергию. При взаимодействии с решёткой и градиентом температуры происходит обмен энергией, проявляющийся как локальный нагрев или охлаждение.
Удельная мощность тепловыделения по эффекту Томсона в каждой точке проводника:
qT = −τ · j · ∇T
где qT — объёмная мощность, Вт/м³; τ — коэффициент Томсона, В/К; j — плотность тока, А/м²; ∇T — градиент температуры, К/м.
В одномерном случае при токе I, протекающем по участку с разностью температур ΔT, полное выделяемое (или поглощаемое) тепло Томсона:
QT = τ · I · ΔT · t
где t — время прохождения тока. Это тепло линейно зависит от тока, в отличие от джоулева, пропорционального I².
Различают положительный и отрицательный эффект Томсона. При положительном τ ток, идущий от горячего конца к холодному, вызывает дополнительный нагрев; при отрицательном τ — охлаждение. Знак определяется характером носителей заряда и зонной структурой материала.
Уильям Томсон показал, что три термоэлектрических эффекта связаны между собой термодинамическими тождествами, известными как соотношения Кельвина (Томсона).
ΠAB = T · SAB
τ = T · dS/dT
где ΠAB — коэффициент Пельтье пары материалов; SAB — коэффициент Зеебека (термоЭДС); T — абсолютная температура.
Из этих соотношений следует, что при постоянном по T коэффициенте Зеебека эффект Томсона исчезает: τ = 0. В реальных материалах S зависит от T, поэтому τ всегда конечен.
Значения τ невелики и обычно лежат в пределах единиц микровольт на кельвин при комнатной температуре. Для ориентировочных расчётов используют табличные данные.
Свинец принят в качестве опорного материала: для него τ практически равен нулю в широком диапазоне температур, поэтому абсолютные значения коэффициентов Зеебека других материалов определяются относительно свинца.
Три термоэлектрических эффекта образуют единую систему перекрёстных явлений, описываемых одной парой кинетических коэффициентов. Различие — в том, какие переменные фиксированы.
Эффекты Зеебека и Пельтье работают на стыке двух материалов, эффект Томсона — внутри одного однородного проводника. Все три объединяет термодинамическая связь Кельвина и они вместе описывают полный тепловой баланс термоэлектрической цепи.
В чистом виде эффект Томсона невелик по сравнению с эффектами Зеебека и Пельтье, поэтому самостоятельных устройств на его основе нет. Однако его необходимо учитывать в ряде задач.
Эффект Томсона — третье из классических термоэлектрических явлений, связывающее эффекты Зеебека и Пельтье в стройную термодинамическую систему. Формула qT = −τ·j·∇T и соотношения Кельвина (Π = T·S, τ = T·dS/dT) дают полный аппарат для расчёта обратимых тепловых потоков в термоэлементах. Хотя эффект Томсона невелик по абсолютной величине, его учёт необходим при проектировании высокоэффективных термоэлектрических генераторов и микроохладителей.
Статья носит ознакомительный и образовательный характер. Автор не несёт ответственности за результаты применения изложенной информации в инженерных и лабораторных расчётах без проверки квалифицированным специалистом и сверки с действующей нормативной документацией.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.