Иллюстрация: Kenjiro Okawa et al. / Communications Physics. Японские учёные из области физики совершили открытие в сфере тепловой индуктивности. В ходе эксперимента, они воздействовали на проводящую пластину переменным напряжением и анализировали возникающие тепловые потоки, обусловленные эффектом Пельтье. Полученные результаты показали наличие тепловой индуктивности, которая проявлялась в фазовом сдвиге между колебаниями тепловых волн и колебаниями напряжения. Вследствие этого в образце формировался простой инвертированный температурный градиент. Данное исследование опубликовано в журнале Communications Physics. Важно отметить, что сходство физических явлений часто влечет за собой схожесть описывающих их математических моделей. Классическим примером является аналогичность между законами электрического тока и потока воды в трубах. Электрическое напряжение можно сопоставить с давлением, а электрический ток – с расходом воды.
Аналогичная ситуация наблюдается при рассмотрении разных процессов теплопередачи. Физикам удалось создать множество тепловых аналогов для простейших элементов электрических цепей, таких как диоды, транзисторы, логические вентили и так далее. До недавнего времени единственным не воспроизведенным тепловым элементом оставалась тепловая индуктивность. Это связано с тем, что колебательное поведение с изменением направления теплового потока от холодного к горячему обычно считается нарушением второго закона термодинамики. Предыдущие попытки создания термоиндуктивного элемента опирались либо на громоздкие неизолированные системы, либо на гелиевые температуры.
Кэндзиро Окава (Kenjiro Okawa) с коллегами из Национального института передовой промышленной науки и технологий (AIST) смогли создать тепловую индуктивность при комнатной температуре на основе эффекта Пельтье, прикладывая переменное напряжение к разным концам проводящей пластины. Меняя частоту напряжения, они нашли режим задержки тепловой фазы, что выражается в отрицательном градиенте температуры в середине образца.
Эффект Пельтье заключается в нагреве или охлаждении в точке контакта двух разнородных проводящих материалов. Локальное увеличение или уменьшение температуры создает ее градиент в окрестности контакта, указывающий направление теплового тока. Тепло не распространяется мгновенно: для оценки скорости процессов теплопроводности используется тепловая постоянная времени, которая помогает понять, насколько быстро в образце выровняется градиент температуры.
При этом ток не обязательно должен быть постоянным. Если период колебания напряжения, приложенного с разных концов образца, много больше тепловой постоянной времени, температурный профиль будет успевать перестраиваться в линейный закон от координаты (в случае справедливости одномерного приближения), а тепловой поток будет повсеместно однородным. Для противоположного случая, когда частота колебаний очень большая, температурное распределение станет постоянным, а поток нулевым за исключением краевых точек. Но когда тепловая постоянная времени оказывается сопоставимой с периодом колебаний напряжения, тепловой профиль представляет собой волнообразную зависимость с двумя точками экстремума. Тепловой поток между этими двумя точками становится отрицательным по отношению к разности температур на концах образца. Из-за возникающей задержки тепловой фазы по отношению к фазе тока этот обратный тепловой поток можно интерпретировать как термоиндуктивность, вызванную эффектом Пельтье.
Тепловой и потоковый профили для различных отношений F тепловой постоянной времени к периоду колебаний напряжения. Для случая, когда они сопоставимы (средний столбец), возникает инвертированная теплопередача. Kenjiro Okawa et al. / Communications Physics
Физики построили математическую модель этого эффекта для нескольких темроэлектрических материалов: меди и теллуридов висмута и сурьмы. В последнем случае оказалось, что отрицательный локальный температурный градиент может достигать 20 процентов от разности на концах образца. Однако из-за того, что амплитуда колебаний температуры составляет при этом всего 25 милликельвин, эффект невозможно обнаружить прямыми калориметрическими измерениями.
Вместо этого авторы предложили проводить измерения электрического импеданса в области образца, в которой модель предсказывает обратный градиент. Согласно расчетам, пассивная проводимость в ней должна быть несколько ниже, чем в среднем по образцу, а реактивная часть сопротивления может стать положительной. Физики убедились в этом экспериментально, получив хорошее согласие с теорией.
Ученые отмечают, что обнаруженный ими эффект существует при комнатной температуре и легко может быть настроен изменением частоты напряжения. Если удастся сформировать таким образом тепловой аналог самоиндукции, это откроет дорогу к созданию тепловых колебательных контуров.
В последнее время появляется все больше материалов, демонстрирующих необычную теплопроводность. Мы уже рассказывали про концепцию ткани с асимметричной терморегуляцией, а также про достижение рекордного коэффициента тепловой анизотропии в слоистых структурах.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
