Тепловую индуктивность создали при комнатной температуре

Японские физики обнаружили тепловую индуктивность в проводящей пластине, прикладывая к ее концам переменное напряжение и изучая тепловые потоки, вызванные эффектом Пельтье. Индуктивность выражалась в отставании фазы тепловых волн от фазы напряжения, из-за чего в образце появлялся инвертированный градиент температуры. Исследование опубликовано в Communications Physics.

Если какое-то одно физическое явление похоже на другое, то, скорее всего, оно будет описываться сильно схожей математикой. Можно найти множество примеров этого, но, пожалуй, самым понятным из них оказались законы, описывающие электрический ток и течение воды в трубах. В этом случае можно получить понятную аналогию, если сопоставить электрическое напряжение с давлением, а электрический ток — с потоком воды.

Оказывается, похожим образом можно поступить, если рассматривать процессы теплопереноса. 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.

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.

Марат Хамадеев