8.4.7. Явление Томсона
В однородной металлической цепи, в которой одновременно имеется разность температур и электрический ток, возникает термоэлектрический эффект, называемый явлением (эффектом) Томсона. Он заключается в том, что когда дрейф электронов происходит в том же направлении, в каком происходит распространение тепла, то в проводнике в дополнение к теплу, обусловленному теплопроводностью и джоулевым теплом, прибавляется (или вычитается при противоположном дрейфе) тепло, переносимое электронами:
,
(8.44)
где KТ – коэффициент Томсона, зависящий от материала цепи.
Явление Томсона можно объяснить следующим образом. В более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой. Двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они приобретают дополнительную энергию за счет энергии решетки, в результате происходит поглощение теплоты (энергии) Томсона.
Заключение
Изложение раздела "Электричество" общего курса физики в виде конспекта лекций закончено. Начав изложение этого раздела с введения, в котором сформулированы основные цели и задачи, в работе последовательно рассмотрены вопросы классической электродинамики, электростатики в вакууме и веществе, понятия электрического поля и его характеристик. Достаточно подробно рассмотрена теорема Остроградского-Гаусса и ее применение. Опираясь на основные законы и понятия электродинамики, проанализировано поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле, а также рассмотрены особенности и поведение электрического поля в них, энергетические соотношения при взаимодействиях в электрическом поле, энергия электрического поля. Даны понятия электрического тока, его действий и условий существования. Разъяснены сущность и различия в понятиях ЭДС, напряжения и разности потенциалов, а также установлена связь между этими величинами. В соответствии с программой курса физики представлена классическая электронная теория проводимости металлов, законы постоянного тока и их применение, электрический ток в вакууме, газах и жидкостях. В доступной форме рассмотрена квантовая теория электропроводности металлов, сверхпроводимость, электропроводность полупроводников и явления, возникающие на границе раздела двух сред.
Приведенный перечень вопросов, изложенных в конспекте лекций, позволяет проследить логику в развитии учения об электричестве и эволюцию его идей, а также представить основные периоды и этапы становления этого учения.
Со времени появления первых гипотез, теорий и экспериментов прошло более трехсот лет. За это время учение об электричестве прошло путь от простейших теорий и экспериментов, от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.
Вместе с тем данная работа не рассчитана на очень детальное теоретическое рассмотрение отдельных вопросов, требующее от студентов специальных математических знаний (тензорного исчисления, интегральных уравнений, специальных функций). Необходимые сведения по данному вопросу содержатся в соответствующей научно-теоретической литературе.
В конспекте лекций акцентируется внимание на то, что электрическая энергия играет большую роль в технике. Огромные успехи, достигнутые в технологической революции, и особенно в XX столетии, связаны в основном с развитием учения об электромагнетизме. Однако современная физика и учение об электричестве стоят перед целым рядом нерешенных проблем.
Например, проблемы: плазмы – разработка методов разогрева плазмы до температур порядка 109 К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции; физики твердого тела – получение материалов с заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому "спектру" характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников.
В настоящее время с особой силой подчеркивается практическая важность фундаментальных исследований. Это, в первую очередь, относится к исследованиям в области современной электроэнергетики. Решение стоящих перед ней проблем является важнейшим условием ускорения научно-технического процесса.
Физика, с одной стороны, является фундаментальной основой приобретения новых знаний как в процессе обучения, так и в процессе работы специалиста, а с другой – она является теоретической базой, без которой невозможна успешная деятельность в области знаний "Технические науки". Кроме того, открываемые новые физические явления или новые свойства тел находят техническое применение уже через несколько лет (и даже в процессе обучения студентов в вузе). Все это требует определенной гибкости учебного процесса и его совершенствования, соответственно, темпам развития науки и техники.
Организация лекционного курса на базе экономичной затраты студенческого и преподавательского времени, предусмотренная данной работой, полностью отвечает основным задачам курса физики в вузах нефизического профиля: развитие логического мышления, расширение представлений о многообразии свойств материи, подготовка к усвоению последующих дисциплин рабочего учебного плана.