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汤姆逊效应的发现
[发布日期] 2020-04-03 09:46     [浏览次数]
威廉·汤姆逊1824年生于爱尔兰,父亲詹姆士是贝尔法斯特皇家学院的数学教授,后因任教格拉斯哥大学,在威廉8岁那年全家迁往苏格兰的格拉斯哥。汤姆逊十岁便入读格拉斯哥大学 (你不必惊讶,在那个时代,爱尔兰的大学会取录最有才华的小学生),约在14岁开始学习大学程度的课程,15岁时凭一篇题为“地球形状”的文章获得大学的金奖章。汤姆逊后来到了剑桥大学学习,并以全年级第2名的成绩毕业。他毕业后到了巴黎,在勒尼奥的指导下进行了一年实验研究。1846年,汤姆逊再回到格拉斯哥大学担任自然哲学 (即物理学) 教授,1899年正式退休。

汤姆逊在格拉斯哥大学创建了第一所现代物理实验室;24岁时发表一部热力学专著,建立温度的“绝对热力学温标”;27岁时发表《热力学理论》一书,建立热力学第二定律,使其成为物理学基本定律;与焦耳共同发现气体扩散时的焦耳-汤姆逊效应;历经9年建立欧美之间永久大西洋海底电缆,由此获得“开尔文勋爵”的贵族称号。
汤姆逊一生研究范围相当广泛,他在数学物理、热力学、电磁学、弹性力学、以太理论和地球科学等方面都有重大的贡献。撇开这些不谈,回到“汤姆逊效应”这个主题上来。在介绍汤姆逊效应之前,还是先介绍一下前人所做的工作。
1821年,德国物理学家塞贝克发现,在两种不同的金属所组成的闭合回路中,当两接触处的温度不同时,回路中会产生一个电势,此所谓“塞贝克效应”。塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量,并对35种金属排成一个序列(即Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te-……),并指出,当序列中的任意两种金属构成闭合回路时,电流将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属。1834年,法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应:帕尔帖效应。1856年,汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析,并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为,在绝对零度时,帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上,他又从理论上预言了一种新的温差电效应,即当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆逊热)。或者反过来,当一根金属棒的两端温度不同时,金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆逊效应(Thomson effect),成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应(thermoelectric effect)。
汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电势的现象,帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差(其中的一端产生热量,另一端吸收热量)的现象,两者结合起来就构成了塞贝克效应。
汤姆逊效应的物理学解释是:金属中温度不均匀时,温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样,当温度不均匀时会产生热扩散,因此自由电子从温度高端向温度低端扩散,在低温端堆积起来,从而在导体内形成电场,在金属棒两端便形成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。
汤姆逊效应因为产生的电压极其微弱,至今尚未发现实际应用。(燃气灶中熄火保护方式---热电式:该装置也是利用了燃气燃烧时产生的热能。热电式熄火安全保护装置由热电偶和电磁阀两部分所组成,热电偶是由两种不同的合金材料组合而成。不同的合金材料在温度的作用下会产生不同的热电势,热电偶正是利用不同合金材料在温度的作用下产生的热电势不同制造而成,它利用了不同合金材料的电热差值。)
查找资料时发现,除了威廉·汤姆逊外,另有一个同名的英国物理学家约瑟夫·汤姆逊(Joseph John Thomson,1856-1940),他证明了阴极射线实际上是电子束。

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