Order to disorder transformation in an Ohmic resistor: Quantum theory of Joule heating - Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques
Article Dans Une Revue EPJ Web of Conferences Année : 2024

Order to disorder transformation in an Ohmic resistor: Quantum theory of Joule heating

Transformation d'ordre en désordre dans un résistor ohmique : Théorie quantique de l'effet Joule

Résumé

The Joule–Lenz heating effect in a resistor is a transformation of ordered (electrochemical) into disordered (thermal) energy. The elementary quantitative account rests upon Ohm’s conduction law. The latter continues to be a theoretical challenge in the 21st century, just as the Joule heating effect at the microscopic level. This work first reviews thermodynamical prolegomena to near-equilibrium electrical conduction. The heating effect (under an applied force field) is argued to be a consequence of the thermalisation mechanism (acting under no force) underpinning the Zeroth Law of thermodynamics. The microscopic theory of thermalisation is worked out in a crystalline solid. Static disorder cannot account for thermalisation of the electron gas at the lattice temperature. The necessary dynamical disorder is handled perturbatively within a Wigner-function-like quantum-mechanical framework. Connection is made with the irreversible Boltzmann–Lorentz description of electron transport via a multiple-scale expansion ; Fermi’s golden rule is reappraised. Classical disorder fails to account for the thermalisation of electrons at the environmental temperature. Quantum disorder embodied in the quantization of lattice vibrations and the entanglement of electrons and phonons correctly account for the Zeroth Law. The mechanism of internal thermal equilibration of the environment is discussed.
Le dégagement de chaleur de Joule dans un résistor est une transformation d'énergie ordonnée (électrochimique) en énergie désordonnée (thermique). L'explication quantitative élémentaire repose sur la loi d'Ohm de la conduction électrique. Cette loi constitue encore un défi théorique au XXIe siècle, tout comme l'effet Joule au niveau microscopique. Ce travail passe en revue les prolégomènes thermodynamiques de la conduction au voisinage de l'équilibre. On arguë que le dégagement de chaleur, sous l'effet d'un champ de force, est la conséquence du mécanisme de thermalisation des électrons, actif en l'absence de force, qui sous-tend le Principe Zéro de la thermodynamique. On développe la théorie microscopique de la thermalisation dans un solide cristallin. Un désordre statique ne peut pas rendre compte de la thermalisation du gaz électronique à la température du réseau. Un désordre dynamique est indispensable qui est traité perturbativement en mécanique quantique par une transformée de type Wigner. On établit le lien avec la description irréversible du transport de Boltzmann-Lorentz au moyen d'un développement en échelles multiples ; la règle d'or de Fermi est réexaminée. Un désordre classique est incapable de rendre compte de la thermalisation des électrons à la température de l'environnement. Un désordre quantique, ancré dans la quantification des vibrations de réseau et l'enchevêtrement de la dynamique électronique avec celle du réseau, rend compte du Principe Zéro. Le mécanisme interne d'équilibrage thermique de l'environnement est abordé.
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hal-04780507 , version 1 (13-11-2024)

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Citer

Eric Bringuier. Order to disorder transformation in an Ohmic resistor: Quantum theory of Joule heating. EPJ Web of Conferences, 2024, 300, pp.01010. ⟨10.1051/epjconf/202430001010⟩. ⟨hal-04780507⟩
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