Efecto Thomson: un fenómeno termoeléctrico

Cuando una corriente eléctrica continua pasa a través de un alambre, ese alambre se calienta de acuerdo con con la ley de Joule-Lenz: la potencia térmica liberada por unidad de volumen del conductor es igual al producto de la densidad de corriente y la fuerza del campo eléctrico que actúa en el conductor.

Esto se debe a que los que se mueven en el alambre bajo la acción de un campo eléctrico electrones libres, formando una corriente, chocan con los nodos de la red cristalina en el camino y les transfieren parte de su energía cinética, como resultado, los nodos de la red cristalina comienzan a vibrar con más fuerza, es decir, la temperatura del conductor asciende en todo su volumen.

Cuanto más fuerza del campo eléctrico en un cable: cuanto mayor sea la velocidad de los electrones libres tienen tiempo de acelerar antes de chocar con los nodos de la red cristalina, más energía cinética tienen tiempo de ganar en el camino libre y más momento transfieren a los nodos de la red cristalina en este momento en un curso de colisión con ellos.Es obvio que cuanto mayor es el campo eléctrico, se aceleran los electrones libres en el conductor, más calor se libera en el volumen del conductor.

Ahora imaginemos que el cable de un lado se calienta. Es decir, un extremo tiene una temperatura más alta que el otro extremo, mientras que el otro extremo tiene aproximadamente la misma temperatura que el aire circundante. Esto significa que en la parte calentada del conductor los electrones libres tienen mayores velocidades de movimiento térmico que en la otra parte.

Si deja el cable solo ahora, se enfriará gradualmente. Parte del calor se transferirá directamente al aire circundante, parte del calor se transferirá al lado menos calentado del cable y de este al aire circundante.

En este caso, los electrones libres con tasas de movimiento térmico más altas transferirán el impulso a los electrones libres en la parte menos calentada del conductor hasta que se iguale la temperatura en todo el volumen del conductor, es decir, hasta que las tasas de movimiento térmico se iguala el movimiento de los electrones libres en todo el volumen del conductor.

Compliquemos el experimento. Conectamos el cable a una fuente de corriente continua, precalentando el lado con una llama a la que se conectará el terminal negativo de la fuente. Bajo la influencia del campo eléctrico creado por la fuente, los electrones libres en el alambre comenzarán a moverse de la terminal negativa a la terminal positiva.

Además, la diferencia de temperatura creada por el precalentamiento del cable contribuirá al movimiento de estos electrones de menos a más.

Podemos decir que el campo eléctrico de la fuente ayuda a difundir el calor a lo largo del cable, pero los electrones libres que se mueven desde el extremo caliente al extremo frío generalmente se ralentizan, lo que significa que transfieren energía térmica adicional a los átomos circundantes.

Es decir, en la dirección de los átomos que rodean a los electrones libres, se libera calor adicional en relación con el calor de Joule-Lenz.

Ahora caliente un lado del cable nuevamente con una llama, pero conecte la fuente de corriente con un cable positivo al lado calentado. En el lado del terminal negativo, los electrones libres en el conductor tienen velocidades de movimiento térmico más bajas, pero bajo la acción del campo eléctrico de la fuente se precipitan hacia el extremo calentado.

El movimiento térmico de los electrones libres creado al precalentar el cable se propaga al movimiento de estos electrones de menos a más. Los electrones libres que se mueven del extremo frío al extremo caliente generalmente se aceleran al absorber la energía térmica del cable calentado, lo que significa que absorben la energía térmica de los átomos que rodean a los electrones libres.

Este efecto se encontró en 1856 físico británico william thomsonque encontró que en un conductor de corriente continua calentado uniformemente no uniformemente, además del calor liberado de acuerdo con la ley de Joule-Lenz, se liberará o absorberá calor adicional en el volumen del conductor, dependiendo de la dirección de la corriente (tercer efecto termoeléctrico) .

La cantidad de calor de Thomson es proporcional a la magnitud de la corriente, la duración de la corriente y la diferencia de temperatura en el conductor.t — Coeficiente de Thomson, que se expresa en voltios por kelvin y tiene el mismo tamaño que fuerza termoelectromotriz.

Otros efectos termoeléctricos: Efecto Seebeck y Peltier