Die Entwicklungsgeschichte von TEC – Thomson-Effekt

Die Abbildung zeigt die schematischen Diagramme der drei Haupteffekte in unserem thermoelektrischen Feld: Es handelt sich um den Seebeck-Effekt, den Peltier-Effekt und den Thomson-Effekt. Dieses Mal werden wir William Thomson und seine große Entdeckung untersuchen – den Thomson-Effekt.

William Thomson wurde 1824 in Irland geboren. Sein Vater James war Mathematikprofessor am Royal College Belfast. Später, als er an der Universität Glasgow lehrte, zog seine Familie nach Glasgow, Schottland, als William acht Jahre alt war. Thomson trat im Alter von zehn Jahren in die Universität von Glasgow ein (Sie müssen sich nicht wundern, dass die irischen Universitäten zu dieser Zeit die talentiertesten Grundschüler aufnahmen) und begann etwa im Alter von 14 Jahren, Kurse auf Universitätsniveau zu studieren. Im Alter von 15 Jahren gewann er eine Universitätsgoldmedaille für einen Artikel mit dem Titel „Die Form der Erde“. Thomson ging später zum Studium an die Universität Cambridge und schloss sein Studium als zweitbester Schüler seiner Klasse ab. Nach seinem Abschluss ging er nach Paris und führte ein Jahr lang experimentelle Forschung unter der Leitung von Rene durch. 1846 kehrte Thomson an die Universität Glasgow zurück, um bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1899 als Professor für Naturphilosophie (d. h. Physik) zu fungieren.

Thomson gründete das erste moderne Physiklabor an der Universität Glasgow. Im Alter von 24 Jahren veröffentlichte er eine Monographie über Thermodynamik und etablierte die „absolute thermodynamische Temperaturskala“ für die Temperatur. Im Alter von 27 Jahren veröffentlichte er das Buch „Theorie der Thermodynamik“, in dem er den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begründete und ihn zu einem Grundgesetz der Physik machte. Gemeinsam mit Joule den Joule-Thomson-Effekt bei der Gasdiffusion entdeckt; Nachdem er neun Jahre lang ein dauerhaftes atlantisches Unterseekabel zwischen Europa und Amerika gebaut hatte, wurde ihm der Adelstitel „Lord Kelvin“ verliehen.

Thomsons Forschungsumfang war zeitlebens recht umfangreich. Er leistete bedeutende Beiträge zur mathematischen Physik, Thermodynamik, Elektromagnetismus, Elastizitätsmechanik, Äthertheorie und Geowissenschaften.

Im Jahr 1856 führte Thomson eine umfassende Analyse des Seebeck-Effekts und des Peltier-Effekts durch, indem er die von ihm aufgestellten thermodynamischen Prinzipien anwendete und einen Zusammenhang zwischen dem ursprünglich nicht verwandten Seebeck-Koeffizienten und dem Peltier-Koeffizienten herstellte. Thomson glaubte, dass am absoluten Nullpunkt eine einfache Vielfachbeziehung zwischen dem Peltier-Koeffizienten und dem Seebeck-Koeffizienten besteht. Auf dieser Grundlage sagte er theoretisch einen neuen thermoelektrischen Effekt voraus, das heißt, wenn Strom durch einen Leiter mit ungleichmäßiger Temperatur fließt, erzeugt der Leiter nicht nur irreversible Joulesche Wärme, sondern absorbiert oder gibt auch eine bestimmte Wärmemenge ab (bekannt als Thomson-Wärme). Oder umgekehrt: Wenn die Temperaturen an beiden Enden eines Metallstabs unterschiedlich sind, entsteht an beiden Enden des Metallstabs eine elektrische Potenzialdifferenz. Dieses Phänomen wurde später als Thomson-Effekt bezeichnet und wurde nach dem Seebeck-Effekt und dem Peltier-Effekt zum dritten thermoelektrischen Effekt.

Die Geschichte ist vorbei. Hier ist der entscheidende Punkt!

F: Was sind jeweils die drei wichtigsten thermoelektrischen Effekte?

A: Der Seebeck-Effekt, auch als erster thermoelektrischer Effekt bekannt, bezieht sich auf das thermoelektrische Phänomen, das durch den Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Leitern oder Halbleitern verursacht wird und zu einem Spannungsunterschied zwischen zwei Substanzen führt.

Der Peltier-Effekt, auch zweiter thermoelektrischer Effekt genannt, bezieht sich auf das Phänomen, dass, wenn Strom durch den Kontaktpunkt der Leiter A und B fließt, zusätzlich zur Jouleschen Wärme, die durch den durch den Stromkreis fließenden Strom erzeugt wird, am Kontaktpunkt auch ein endothermer oder exothermer Effekt auftritt. Es ist die umgekehrte Reaktion des Seebeck-Effekts. Da die Joule-Wärme unabhängig von der Stromrichtung ist, kann Peltier-Wärme durch zweimaliges Anlegen von Strom in die entgegengesetzte Richtung gemessen werden.

Der Thomson-Effekt, auch als dritter thermoelektrischer Effekt bekannt, wurde von Thomson vorgeschlagen und beruht auf einer einfachen Vielfachbeziehung zwischen dem Peltier-Koeffizienten und dem Seebeck-Koeffizienten am absoluten Nullpunkt. Auf dieser Grundlage sagte er theoretisch einen neuen thermoelektrischen Effekt voraus, das heißt, wenn Strom durch einen Leiter mit ungleichmäßiger Temperatur fließt, erzeugt der Leiter nicht nur irreversible Joulesche Wärme, sondern absorbiert oder gibt auch eine bestimmte Wärmemenge ab (bekannt als Thomson-Wärme). Oder umgekehrt: Wenn die Temperaturen an beiden Enden eines Metallstabs unterschiedlich sind, entsteht an beiden Enden des Metallstabs eine elektrische Potenzialdifferenz.

F: Welche Beziehung besteht zwischen diesen drei thermoelektrischen Effekten?

A: Die drei thermoelektrischen Effekte haben bestimmte Zusammenhänge: Der Thomson-Effekt ist das Phänomen, bei dem ein elektrisches Potential erzeugt wird, wenn zwischen den beiden Enden eines Leiters ein Temperaturunterschied besteht; Der Pellier-Effekt ist das Phänomen, bei dem zwischen den beiden Enden eines geladenen Leiters ein Temperaturunterschied entsteht (ein Ende erzeugt Wärme und das andere Ende absorbiert Wärme). Die Kombination beider bildet den Seebeck-Effekt.

Zusammenfassend bezieht sich der thermoelektrische Effekt auf das Phänomen, dass bei einem Temperaturunterschied am Kontaktpunkt zweier Materialien eine elektrische Potentialdifferenz und ein Strom auftreten. Der Seebeck-Effekt wandelt thermische Energie in elektrische Energie um, der Peltier-Effekt realisiert die gegenseitige Umwandlung zwischen elektrischer und thermischer Energie und der Thomson-Effekt beschreibt den thermischen Effekt beim Stromfluss durch ein Material.

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