Учени постигат първото експериментално наблюдение на напречния ефект на Томсън

Ваня Милева Последна промяна на 21 юли 2025 в 00:00 171 0

радиоизотопно-термоелектрически генератор

Кредит PICRYL, Public Domain, Kennedy Space Center
Този радиоизотопно-термоелектрически генератор (РТГ), в центъра, е инсталиран на космическия апарат "Касини". Три РТГ-а осигуряват електричество на "Касини" по време на 6,7-годишното му пътуване до системата на Сатурн и по време на четиригодишната му мисия на Сатурн. РТГ-ите използват топлината от естествения разпад на плутоний. Тази топлина след това се прехвърля към серия термодвойки, които са устройства, преобразуващи топлинната енергия в електрическа чрез ефекта на Зеебек. РТГ позволяват на космическите апарати да работят далеч от Слънцето, където соларните енергийни системи не са ефективни.

Изследователи съобщават за първото експериментално наблюдение на напречния ефект на Томсън, ключов термоелектричен феномен, който е убягвал на учените, откакто е бил предсказан преди повече от 100 години.

Едно от най-изненадващото в откритието е възможността за превключване между нагряване и охлаждане чрез проста промяна на посоката на магнитното поле.

В продължение на повече от век термоелектрическите ефекти са в основата на начина, по който физиците разбират връзката между топлината и електричеството. Познанията за това как топлината и електричеството взаимодействат в материалите се коренят в ефектите на Зеебек, Пелтие и Томсън, всички те открити през 19 век.

Ефект на Томсън

Ефектът на Томсън, наричан ощео ефект на Пелтие-Томсън, описва обратимото обемно нагряване или охлаждане на проводник, когато през него протича електрически ток, докато е подложен на температурен градиент в същата посока. Този ефект е различен от Джаулевото нагряване, което е необратимо и се дължи на съпротивлението на материала, и от ефекта на Пелтие, който включва пренос на топлина на съединението на два различни материала

Учените отдавна предполагат, че напречна версия на този ефект би трябвало да съществува, когато електрически ток, температурен градиент и магнитно поле се прилагат в ортогонални посоки в проводник.

Сега изследователски екип, ръководен от Ацуши Такахаги (Atsushi Takahagi) от Университета в Нагоя и Кен-ичи Учида (Ken-ichi Uchida) от Университета в Токио, демонстрира в нова статия на Nature Physics, че съществува и напречният ефект, един от термоелектричните ефекти от по-висок порядък.

Напречният ефект на Томсън се оказва изключително труден за експериментално наблюдение поради смущения от конкуриращи се топлинни ефекти, като ефектите на Пелтие и Етингсхаузен.

Изолиране на сигнала

За да преодолеят предизвикателството на изолирането на сигнала, изследователският екип предлага да се използват усъвършенствани техники за термоелектрично изобразяване, за да се наблюдава и характеризира феноменът. Методът им се основава на заключваща термография.

Те използват инфрачервена камера, за да наблюдават термичния отговор на образеца, докато прилагат периодичен електрически ток.

Чрез извличане на компонента на температурната модулация, който осцилира със същата честота като приложения ток, от направените термични изображения, успяват да изолират термоелектрическите сигнали от Джаулевото нагряване - процесът, при който преминаването на електрически ток през проводник произвежда топлина.

Повратният момент идва, когато разбират, че пространственото разпределение на напречния ефект на Томсън се различава от други конкуриращи се ефекти. Екипът извършва измервания при две условия, със и без температурен градиент. След това изваждат резултатите, за да изолират чистия напречен сигнал на Томсън.

Ефектът на Етингсхаузен е явлението на температурен градиент в проводник, през който протича електрически ток, когато е в магнитно поле. Ако токът тече по оста x и магнитното поле е насочено по y, тогава температурният градиент ще възникне по z.

Първото измерване с температурния градиент улавя напречния ефект на Томсън и ефектите на Етингсхаузен. Второто измерване без температурния градиент улавя само последния, като при изваждане се получава изолираният напречен ефект на Томсън.

Термоелектрични ефекти

Термоелектрични ефекти. Източник: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3

Избор на правилния материал

Изследователите избрали за своите експерименти сплав от бисмут и антимон (Bi88Sb12), материал, известен със силния си ефект на Нернст при стайна температура.

Когато температурен градиент и магнитно поле се прилагат ортогонално към даден материал, това води до създаването на електрическо поле, перпендикулярно и на двете. Това е известно като ефект на Нернст.

Ефектът на Етингсхаузен, споменат по-рано, е обратен. Когато електрически ток и магнитно поле се прилагат ортогонално, се създава температурен градиент, перпендикулярен и на двете.

Изследването разкрива, че величината на източника на топлина, отговорен за напречния ефект на Томсън, се определя както от температурната производна на коефициента на Нернст, така и от самия коефициент на Нернст, обясняват изследователите.

Сплавта Bi88Sb12 отдавна е известна като материал с голям коефициент на Нернст, което я прави особено обещаващ кандидат за проявяване на напречния ефект на Томсън.

Това представлява фундаментална разлика от конвенционалния ефект на Томсън, който зависи единствено от температурната производна на коефициента на Зеебек.

Ефект на Зеебек

Ефектът на Зеебек е термоелектрично явление, при което температурната разлика между два различни електрически проводника или полупроводника създава разлика в напрежението Този ефект, открит от Томас Йохан Зеебек през 1821 г., формира основата на термодвойките, устройства, използвани за измерване на температура. Когато съществува температурен градиент между тези материали, носителите на заряд (електрони) текат от горещата към студената страна, генерирайки напрежение.

Превключване между топло и студено

Едно от най-изненадващите открития бе възможността за превключване между нагряване и охлаждане чрез проста промяна на посоката на магнитното поле. Ефектът показа сложно поведение, зависимо от полето, включително пълно обръщане на знака при определени интензитети на магнитното поле.

Изследователите откриват, че напречният коефициент на Томсън се състои от два конкуриращи се компонента: единият е свързан с температурната производна на коефициента на Нернст (обикновено причиняващ нагряване), а другият е свързан с величината на коефициента на Нернст (обикновено причиняващ охлаждане).

Конкуренцията между тези компоненти създава зависещото от полето обръщане на знака, наблюдавано в техните експерименти.

Техните числени симулации точно възпроизведоха експерименталните наблюдения, потвърждавайки теоретичното разбиране на феномена и валидирайки техниката им на измерване.

Потенциални приложения

Откритието отваря нови възможности за технологиите за управление на топлината, особено в приложения, изискващи прецизен, локализиран контрол на топлината.

Очаква се напречният ефект на Томсън да служи като принцип за подобряване на производителността на напречните термоелектрически охладителни устройства, съобщават изследователите.

Настоящата работа също така насочва към стратегии за разработване на по-ефективни материали. В изследваната сплав Bi88Sb12 двата компонента на напречния коефициент на Томсън частично се неутрализират взаимно, ограничавайки общата величина на ефекта.

Авторите се надяват да се намерят нови материали, в които тези два компонента са се подсилват взаимно, което би могло да доведе до откриването на високоефективни материали за напречния ефект на Томсън, представляващи важен път за бъдещи изследвания.

Справка: Atsushi Takahagi et al, Observation of the transverse Thomson effect, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02936-3

Източник: Scientists achieve first experimental observation of the transverse Thomson effect, Tejasri Gururaj, Phys.org

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !