L’effetto Thomson è uno dei tre fenomeni termoelettrici reversibili (spesso conosciuti semplicemente come effetti termoelettrici), gli altri sono l’effetto Seebeck e l’effetto Peltier. Nel 1851 William Thomson (poi Lord Kelvin) fu portato dal ragionamento termodinamico a concludere che in un circuito termoelettrico esistono fonti di forza elettromotrice (emf) oltre a quelle situate nelle giunzioni. In particolare, egli predisse che un’emf sarebbe sorta all’interno di un singolo conduttore ogni volta che era presente un gradiente di temperatura. La verità di questa previsione può essere dimostrata dall’esperimento illustrato nel diagramma qui.
In questo esperimento una corrente passa attraverso una barra di ferro che è piegata a forma di U. Le bobine di resistenza, R1 e R2, sono avvolte sui due lati della U, come mostrato. Queste formano due bracci di un ponte di Wheatstone bilanciato. Il fondo della U viene poi riscaldato. Questo stabilisce due gradienti di temperatura – uno positivo che si estende da A a C, e uno negativo che si estende da C a B. Come risultato di questa operazione, il ponte diventa sbilanciato in una direzione tale da indicare che la resistenza di R1 è aumentata più di quella di R2. Evidentemente, il calore è stato liberato in R1 e assorbito in R2.
L’assorbimento di calore è la prova di una forza elettromotrice che agisce nella stessa direzione della corrente, cioè l’energia elettrica viene fornita al circuito a spese dell’energia termica dell’ambiente. Questo è il caso della sezione AB. Allo stesso modo, nel tratto AC, alla corrente si oppone un’emf, con conseguente trasformazione dell’energia elettrica in energia termica. Così, nel ferro, l’emf di Thomson darebbe luogo a una corrente nel ferro dalle regioni calde a quelle fredde. molti metalli, tra cui bismuto, cobalto, nichel e platino, oltre al ferro, mostrano questa stessa proprietà, che viene definita effetto Thomson negativo. Un altro gruppo di metalli, tra cui antimonio, cadmio, rame e argento, mostrano un effetto Thomson positivo; in questi, la direzione dell’emf di Thomson è tale da sostenere una corrente all’interno del metallo dalle regioni fredde a quelle calde. In un metallo, il piombo, l’effetto Thomson è zero. In certi metalli l’effetto inverte il segno con l’aumento della temperatura o con l’alterazione della struttura cristallina.
La grandezza dell’emf di Thomson per un dato materiale, a, è espressa in termini di coefficiente di Thomson, σa, che ha dimensioni di emf/grado. Così σa dt è l’emf che esiste tra due punti le cui temperature differiscono di dt °C. Quindi, il calore assorbito al secondo tra due punti alla temperatura t1 e t2, rispettivamente, quando una corrente di I ampere passa attraverso il materiale, è dato da
Calore assorbito/sec = I σa dt – I 2R
Il coefficiente di Thomson, σa, è positivo (negativo) per materiali che mostrano l’effetto Thomson positivo (negativo). Il termine nell’equazione di cui sopra è semplicemente il calore Joule che viene sempre liberato quando una corrente scorre attraverso un conduttore imperfetto. Non ha alcuna relazione con l’effetto Thomson, ma è incluso nell’equazione per completezza.