Поперечный эффект Томсона наконец-то обнаружен спустя 174 года

Фото из открытых источников

Физики наконец-то наблюдали явление, предшественник которого наблюдался ещё в середине XIX века.  Учёные, открывшие это явление, утверждают, что их работа может привести к более эффективному управлению температурой там, где это необходимо точно и локально. Новое исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Уильям Томсон (более известный как лорд Кельвин) заметил в 1851 году, что если один конец электрического проводника теплее другого, и по нему протекает ток, тепло поглощается или выделяется. Получение большего или меньшего количества тепла зависит от того, направлен ли ток по градиенту температуры или против него. Это был один из трёх взаимосвязанных термоэлектрических эффектов, открытых в XIX веке, связывающих поведение тепла и электричества. Он наблюдался в металлах, включая медь, цинк и серебро. Изменение температуры определяется коэффициентом Томсона материала, а также градиентом и силой тока. 

Отрицательный эффект Томсона также наблюдался в металлах, включая железо, где изменение температуры действует в противоположном направлении относительно направления тока. Физики предположили, что при определённых условиях должен наблюдаться поперечный эффект Томсона, возникающий перпендикулярно направлению тока. Теперь это было обнаружено впервые.

Для получения поперечного эффекта Томсона исследователи из двух японских институтов использовали полуметаллический проводник из висмута и сурьмы, что отчасти объясняет, почему его не наблюдали ранее. Затем они подали ток, создали градиент температуры и магнитное поле под прямым углом друг к другу. Если вам сложно это представить, представьте себе лист Bi 88 Sb 12, ток в котором течёт вдоль, тепло подводится к одной стороне (не к концу), а магнитное поле направлено сверху.

Группа продемонстрировала, что можно не только нагревать или охлаждать лист, но и обращать эти изменения вспять, изменяя направление магнитного поля. Рассматривая изменения внутри листа, авторы обнаружили разную реакцию по краям, но температура росла или падала равномерно по большей части материала. Поведение на краях было объяснено эффектом Эттингсгаузена, который проявляется независимо от наличия или отсутствия градиента температуры и в этом случае сильнее, чем поперечный эффект Томсона.

Авторы подсчитали, что поперечный эффект Томсона составляет примерно 15 процентов от того эффекта, который Томсон фактически открыл, но в других материалах он может быть выше.

Эффект Томсона возникает потому, что электроны более плотно упакованы в холодных частях материала, чем в более теплых областях, и движение между ними создает или высвобождает потенциальную энергию.

Для ясности следует отметить, что описанный здесь эффект Томсона отличается от более известного эффекта Джоуля-Томсона, который Томсон открыл примерно в то же время, и относится к газам, а не к твердым телам.