L’effet Thomson est l’un des trois phénomènes thermoélectriques réversibles (souvent appelés simplement effets thermoélectriques), les autres étant l’effet Seebeck et l’effet Peltier. En 1851, William Thomson (plus tard Lord Kelvin) a été amené par un raisonnement thermodynamique à conclure que des sources de force électromotrice (emf) existent dans un circuit thermoélectrique en plus de celles situées aux jonctions. En particulier, il a prédit qu’une force électromotrice se produirait dans un seul conducteur lorsqu’un gradient de température est présent. La vérité de cette prédiction peut être démontrée par l’expérience illustrée dans le diagramme ici.
Dans cette expérience, un courant passe à travers une tige de fer qui est pliée en forme de U. Des bobines de résistance, R1 et R2, sont enroulées autour des deux côtés du U, comme indiqué. Elles forment les deux bras d’un pont de Wheatstone équilibré. Le fond du U est ensuite chauffé. Cela établit deux gradients de température – un positif allant de A à C, et un négatif allant de C à B. Suite à cette opération, le pont devient déséquilibré dans une direction telle qu’elle indique que la résistance de R1 a augmenté plus que celle de R2. De toute évidence, de la chaleur a été libérée à R1 et absorbée à R2.
L’absorption de chaleur est la preuve d’une force électromotrice qui agit dans le même sens que celui du courant, c’est-à-dire que l’énergie électrique est fournie au circuit aux dépens de l’énergie thermique du milieu. C’est le cas dans la section AB. De même, dans la section AC, le courant est contré par une force électromotrice, avec pour conséquence la transformation de l’énergie électrique en énergie thermique. Ainsi, dans le fer, la f.é.m. de Thomson donnerait lieu à un courant dans le fer, des régions chaudes aux régions froides. De nombreux métaux, dont le bismuth, le cobalt, le nickel et le platine, en plus du fer, présentent cette même propriété, que l’on appelle l’effet Thomson négatif. Un autre groupe de métaux, dont l’antimoine, le cadmium, le cuivre et l’argent, présente un effet Thomson positif ; dans ces métaux, la direction de la force électromotrice de Thomson est telle qu’elle favorise un courant à l’intérieur du métal, des régions froides aux régions chaudes. Dans un métal, le plomb, l’effet Thomson est nul. Dans certains métaux, l’effet inverse le signe lorsque la température est élevée ou lorsque la structure cristalline est modifiée.
L’amplitude de l’emf de Thomson pour un matériau donné, a, est exprimée en termes de coefficient de Thomson, σa, dont les dimensions sont emf/degré. Ainsi σa dt est la force électromotrice qui existe entre deux points dont les températures diffèrent de dt °C. Par conséquent, la chaleur absorbée par seconde entre deux points à la température t1 et t2, respectivement, lorsqu’un courant de I ampères traverse le matériau, est donnée par
Chaleur absorbée/seconde = I σa dt – I 2R
Le coefficient de Thomson, σa, est positif (négatif) pour les matériaux présentant l’effet Thomson positif (négatif). Le terme de l’équation ci-dessus est simplement la chaleur Joule qui est toujours libérée lorsqu’un courant circule dans un conducteur imparfait. Il n’a aucun rapport avec l’effet Thomson, mais il est inclus dans l’équation par souci d’exhaustivité.