نمودارهای ارائه شده، شماتیک اصول سه اثر اصلی در حوزه حرارتی الکتریکی را نشان می‌دهند: اثر زیبک، اثر پلتیر و اثر تامسون. آنچه ما در این بار قصد بررسی آن را داریم، ویلیام تامسون و کشف عظیم او — اثر تامسون است.

ویلیام تامسون در سال 1824 در ایرلند به دنیا آمد. پدرش جیمز استاد ریاضی دانشگاه شاهی بلفاست بود و بعداً به دلیل تدریس در دانشگاه گلاسگو، در سالی که ویلیام ۸ ساله بود، کل خانواده به گلاسگو در اسکاتلند مهاجرت کرد. تامسون در سن ۱۰ سالگی وارد دانشگاه گلاسگو شد — تعجب نکنید، زیرا در آن دوران، دانشگاه‌های ایرلند دانش‌آموزان استعدادهای اولیه را پذیرش می‌کردند. حدوداً در سن ۱۴ سالگی شروع به مطالعه دروس سطح دانشگاهی کرد و در سن ۱۵ سالگی با مقاله‌ای به نام «شکل زمین» مدال طلا دانشگاه را zdobył. تامسون بعداً به دانشگاه کمبریج رفت و با رتبه دوم کل ساله فارغ‌التحصیل شد. پس از فارغ‌التحصیل به پاریس رفت و یک سال طول انجام پژوهش آزمایشی را تحت هدایت رگنوال انجام داد. در سال ۱۸۴۶، تامسون دوباره به دانشگاه گلاسگو بازگشت و تا سال ۱۸۹۹ که از خدمات استعفا داد، به عنوان استاد فلسفه طبیعی (یعنی فیزیک) کار کرد. 

تامسون بنیانگذار آزمایشگاه فیزیک مدرن دانشگاه گلاسگو بود. در سن ۲۴ سالگی، یک اثر جامع در مورد ترمودینامیک منتشر کرد و «مقیاس حرارتی کلوین» را ایجاد کرد. در سن ۲۷ سالگی، کتاب «نظریه ترمودینامیک» را چاپ کرد و قانون دوم ترمودینامیک را به عنوان یک قانون پایه فیزیک تثبیت کرد. با جول، اثر جول-تامسون در پخش گازها را совместاً کشف کردند. پس از ۹ سال تلاش، کابل زیرخبیری اطلسی را بین اروپا و آمریکا به کار انداخت که به دلیل آن با لقب «لرد کلوین» تكريم شد.

دامنه تحقیقات تامسون در طول عمرش بسیار وسیع بود. او در زمینه‌های فیزیک ریاضی، ترمودینامیک، الکترومغناطیس، مکانیک الاستیک، نظریه اتر و علوم زمین، سهم‌های بزرگی داشته است.

در سال ۱۸۵۶، تامسون با استفاده از اصول ترمودینامیک خود، اثر زبک و اثر پلتیر را به طور کامل تحلیل کرد و ارتباطی بین ضریب زبک و ضریب پلتیر — که در ابتدا بدون ارتباط با یکدیگر بودند — ایجاد کرد. تامسون معتقد بود که در دما صفر ترمودینامیکی (۰ کیلوین)، رابطه‌ای ساده و ضربتی بین ضریب پلتیر و ضریب زبک وجود دارد. بر این اساس، او همچنین یک اثر ترموالکتریکی جدید را از نظر تئوری پیش‌بینی کرد: هنگامی که جریان الکتریکی در یک هادی با دما نامتقارن عبور می‌کند، هادی علاوه بر تولید گرما جول غیر برگشت‌پذیر،一定量的 گرما را جذب یا آزاد می‌کند (که به عنوان گرما تامسون نامیده می‌شود). یا برعکس، هنگامی که دو انتهای یک میله فلزی دارای دما متفاوت هستند، اختلاف پتانسیل در دو انتهای میله ایجاد می‌شود. این پدیده بعدها به عنوان اثر تامسون (اثر تامسون) نامیده شد و سومین اثر ترموالکتریکی (اثر ترموالکتریکی) پس از اثر زبک و اثر پلتیر شد.

داستان به پایان رسید، نکات کلیدی را در نظر بگیرید!

س: سه اثر ترموالکتریکی اصلی چیست؟

ج: اثر زبک (اثر زبک) — همچنین به عنوان اثر ترموالکتریکی اولیه شناخته می‌شود — پدیده‌ای ترموالکتریکی است که به دلیل اختلاف دما در دو هادی الکتریکی یا نیمه‌هادی مختلف، اختلاف ولتاژ بین دو ماده ایجاد می‌کند.

اثر پلتیر (اثر پلتیر) — همچنین به عنوان اثر ترموالکتریکی دوم نامیده می‌شود — این است که هنگامی که جریان الکتریکی از نقطه تماس تشکیل شده از دو هادی A و B عبور می‌کند، علاوه بر گرما جول که به دلیل عبور جریان در مدار تولید می‌شود، در نقطه تماس نیز اثر جذب یا آزادسازی گرما ایجاد می‌شود. این اثر واکنش معکوس اثر زبک است. از آنجایی که گرما جول با جهت جریان无关 است، گرما پلتیر را می‌توان با روش عبور جریان دو بار در جهت معکوس اندازه گیری کرد.

اثر تامسون (اثر تامسون) — همچنین به عنوان اثر ترموالکتریکی سوم شناخته می‌شود. تامسون معتقد بود که در دما صفر ترمودینامیکی (۰ کیلوین)، رابطه‌ای ساده و ضربتی بین ضریب پلتیر و ضریب زبک وجود دارد. بر این اساس، او یک اثر ترموالکتریکی جدید را از نظر تئوری پیش‌بینی کرد: هنگامی که جریان الکتریکی در هادی با دما نامتقارن عبور می‌کند، هادی علاوه بر گرما جول غیر برگشت‌پذیر،一定量的 گرما را جذب یا آزاد می‌کند (گرما تامسون). یا برعکس، هنگامی که دو انتهای میله فلزی دما متفاوت دارند، اختلاف پتانسیل در دو انتهای آن ایجاد می‌شود.

س: رابطه بین این سه اثر ترموالکتریکی چیست؟

ج: این سه اثر ترموالکتریکی دارای رابطه‌ای هستند: اثر تامسون پدیده‌ای است که در اثر اختلاف دما در دو انتهای هادی، پتانسیل ایجاد می‌شود. اثر پلتیر پدیده‌ای است که در دو انتهای هادی باردار، اختلاف دما ایجاد می‌شود (یکی از انتهای گرما تولید می‌کند و دیگری آن را جذب می‌کند). ترکیب این دو اثر، اثر زبک را تشکیل می‌دهد.

به طور خلاصه، اثر ترموالکتریکی پدیده‌ای است که هنگامی که در محل تماس دو ماده اختلاف دما وجود دارد، اختلاف پتانسیل و جریان الکتریکی رخ می‌دهد. اثر زبک انرژی حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، اثر پلتیر تبدیل متقابل بین انرژی الکتریکی و حرارتی را امکان می‌دهد، و اثر تامسون اثر حرارتی عبور جریان الکتریکی از ماده را توصیف می‌کند.