L'illustrazione mostra i diagrammi schematici dei tre principali effetti nel nostro campo termoelettrico: sono l'effetto Seebeck, l'effetto Peltier e l'effetto Thomson. Questa volta esploreremo William Thomson e la sua grande scoperta: l'effetto Thomson.
William Thomson nacque in Irlanda nel 1824. Suo padre, James, era un professore di matematica al Royal College di Belfast. Più tardi, mentre insegnava all'Università di Glasgow, la sua famiglia si trasferì a Glasgow, in Scozia, quando William aveva otto anni. Thomson entrò all'Università di Glasgow all'età di dieci anni (non c'è da sorprendersi se a quell'epoca le università irlandesi ammettevano gli studenti delle scuole elementari più talentuosi) e iniziò a studiare corsi di livello universitario intorno ai 14 anni. All'età di 15 anni, vinse una medaglia d'oro universitaria per un articolo intitolato "La forma della terra". Thomson in seguito andò a studiare all'Università di Cambridge e si laureò come il secondo miglior studente della sua classe. Dopo la laurea, si recò a Parigi e condusse un anno di ricerca sperimentale sotto la guida di René. Nel 1846, Thomson ritornò all'Università di Glasgow per servire come professore di filosofia naturale (cioè fisica) fino al suo pensionamento nel 1899.
Thomson fondò il primo laboratorio di fisica moderno presso l'Università di Glasgow. All'età di 24 anni pubblicò una monografia sulla termodinamica e stabilì la "scala di temperatura termodinamica assoluta" per la temperatura. All'età di 27 anni pubblicò il libro "Teoria della Termodinamica", stabilendo la seconda legge della termodinamica e rendendola una legge fondamentale della fisica. Scoperto insieme a Joule l'effetto Joule-Thomson durante la diffusione del gas; Dopo nove anni di costruzione di un cavo sottomarino atlantico permanente tra Europa e America, gli fu conferito il titolo nobiliare di "Lord Kelvin".
L'ambito di ricerca di Thomson fu piuttosto ampio per tutta la sua vita. Ha dato contributi significativi alla fisica matematica, alla termodinamica, all'elettromagnetismo, alla meccanica dell'elasticità, alla teoria dell'etere e alle scienze della terra.
Nel 1856, Thomson condusse un'analisi completa dell'effetto Seebeck e dell'effetto Peltier applicando i principi termodinamici da lui stabiliti e stabilì una connessione tra il coefficiente Seebeck originariamente non correlato e il coefficiente Peltier. Thomson riteneva che allo zero assoluto esistesse una semplice relazione multipla tra il coefficiente di Peltier e il coefficiente di Seebeck. Su questa base predisse teoricamente un nuovo effetto termoelettrico, cioè quando la corrente scorre attraverso un conduttore con temperatura non uniforme, oltre a generare calore Joule irreversibile, il conduttore assorbe o rilascia anche una certa quantità di calore (noto come calore di Thomson). Oppure, al contrario, quando le temperature alle due estremità di una barra metallica sono diverse, si formerà una differenza di potenziale elettrico su entrambe le estremità della barra metallica. Questo fenomeno fu in seguito chiamato effetto Thomson e divenne il terzo effetto termoelettrico dopo l'effetto Seebeck e l'effetto Peltier.
La storia è finita. Ecco il punto chiave!
D: Quali sono rispettivamente i tre principali effetti termoelettrici?
R: L'effetto Seebeck, noto anche come primo effetto termoelettrico, si riferisce al fenomeno termoelettrico causato dalla differenza di temperatura tra due diversi conduttori o semiconduttori, che risulta in una differenza di tensione tra due sostanze.
L'effetto Peltier, detto anche secondo effetto termoelettrico, si riferisce al fenomeno per cui, quando la corrente passa attraverso il punto di contatto formato dai conduttori A e B, oltre al calore Joule generato dalla corrente che circola nel circuito, si ha anche un effetto endotermico o esotermico nel punto di contatto. È la reazione inversa dell’effetto Seebeck. Poiché il calore Joule è indipendente dalla direzione della corrente, il calore Peltier può essere misurato applicando due volte l'elettricità nella direzione opposta.
L'effetto Thomson, noto anche come terzo effetto termoelettrico, è stato proposto da Thomson per avere una semplice relazione multipla tra il coefficiente di Peltier e il coefficiente di Seebeck allo zero assoluto. Su questa base predisse teoricamente un nuovo effetto termoelettrico, cioè quando la corrente scorre attraverso un conduttore con temperatura non uniforme, oltre a generare calore Joule irreversibile, il conduttore assorbe o rilascia anche una certa quantità di calore (noto come calore di Thomson). Oppure, al contrario, quando le temperature alle due estremità di una barra metallica sono diverse, si formerà una differenza di potenziale elettrico su entrambe le estremità della barra metallica.
D: Qual è la relazione tra questi tre effetti termoelettrici?
R: I tre effetti termoelettrici hanno alcune connessioni: l'effetto Thomson è il fenomeno per cui si genera un potenziale elettrico quando c'è una differenza di temperatura tra le due estremità di un conduttore; l'effetto Pellier è il fenomeno per cui si produce una differenza di temperatura tra le due estremità di un conduttore carico (un'estremità genera calore e l'altra assorbe calore). La combinazione dei due costituisce l'effetto Seebeck.
In sintesi, l'effetto termoelettrico si riferisce al fenomeno per cui quando c'è una differenza di temperatura nel punto di contatto di due materiali, si verificheranno una differenza di potenziale elettrico e una corrente. L'effetto Seebeck converte l'energia termica in energia elettrica, l'effetto Peltier realizza la conversione reciproca tra energia elettrica e termica e l'effetto Thomson descrive l'effetto termico quando la corrente passa attraverso un materiale.
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