図示は、熱電分野における三大主要効果の原理図です。それはゼーベック効果、ペルチェ効果、そしてトムソン効果です。今回我々が探求するのは、ウィリアム・トムソンとその偉大な発見 —— トムソン効果です。

ウィリアム・トムソンは 1824 年にアイルランドで生まれました。父ジェームズはベルファスト王立アカデミーの数学教授で、後にグラスゴー大学に教鞭を取ることになり、ウィリアムが 8 歳の時、一家はスコットランドのグラスゴーに移住しました。

トムソンは 10 歳でグラスゴー大学に入学しました（驚かなくてもよいです。その時代、アイルランドの大学は才能豊かな小学生を入学させていました）。約 14 歳で大学レベルの科目を学び始め、15 歳の時に「地球の形状」と題する論文で大学の金メダルを受賞しました。

その後トムソンはケンブリッジ大学で学び、学年 2 位の成績で卒業しました。卒業後、パリに赴き、ルジョーの指導のもと 1 年間実験研究を行いました。1846 年、トムソンは再びグラスゴー大学に戻り、自然哲学（すなわち物理学）教授として赴任し、1899 年に退職するまでその職にありました。

トムソンはグラスゴー大学の近代物理学研究所の創設者の一人でした。24 歳の時、熱力学に関する単行本を発表し「ケルビン温度目盛り」を確立しました。27 歳の時に『熱力学論』を出版し、熱力学第二法則を提唱して物理学の基本法則の一つとしました。ジュールと共同で、気体拡散におけるジュール＝トムソン効果を発見しました。9 年の歳月をかけて欧米を結ぶ長期安定運行の大西洋海底ケーブルを建設し、これにより「ケルビン卿」の貴族称号を授与されました。

トムソンの研究分野は非常に広範で、数理物理学、熱力学、電磁気学、弾性学、エーテル理論、地球科学など多岐にわたる分野で多大な貢献をしました。

1856 年、トムソンは自身が確立した熱力学の原理を活用し、ゼーベック効果とペルチェ効果を総合的に分析し、本来無関係だったゼーベック係数とペルチェ係数の間に関連性を見出しました。トムソンは、熱力学的零度（0K）において、ペルチェ係数とゼーベック係数の間に単純な倍数関係が存在すると提唱しました。この基礎の上で、彼は理論的に新しい熱電効果を予言しました。すなわち、電流が温度分布の不均一な導体を流れる際、導体は不可逆的なジュール熱を発生させる以外に、一定の熱を吸収または放出する（これをトムソン熱と呼ぶ）効果です。またはその逆に、金属棒の両端に温度差が生じると、棒の両端に電位差が発生する現象です。この現象は後にトムソン効果（Thomson effect）と命名され、ゼーベック効果、ペルチェ効果に続く第三の熱電効果（thermoelectric effect）となりました。

話はここまで！ポイントをまとめましょう！

Q：三大熱電効果とはそれぞれ何ですか？A：ゼーベック効果（Seebeck effect）は、当初の熱電効果とも呼ばれ、2 種類の異なる電気伝導体または半導体の間に温度差が生じることで、両物質間に電位差が発生する熱電現象を指します。

ペルチェ効果（Peltier effect）は、第二の熱電効果とも呼ばれ、電流が A・B 二種類の導体からなる接点を通過する際、電流が回路を流れることで生じるジュール熱に加え、接点で吸熱または発熱する効果で、ゼーベック効果の逆反応です。ジュール熱は電流の方向に依存しないため、ペルチェ熱は電流を逆方向に 2 回通電する方法で測定できます。

トムソン効果（Thomson effect）は、第三の熱電効果とも呼ばれます。トムソンは、熱力学的零度（0K）において、ペルチェ係数とゼーベック係数の間に単純な倍数関係が存在すると提唱しました。この基礎の上で、彼は理論的に新しい熱電効果を予言しました。すなわち、電流が温度分布の不均一な導体を流れる際、導体は不可逆的なジュール熱を発生させる以外に、一定の熱を吸収または放出する（これをトムソン熱と呼ぶ）効果です。またはその逆に、金属棒の両端に温度差が生じると、棒の両端に電位差が発生する現象です。

Q：この三つの熱電効果の関係は何ですか？A：三つの熱電効果は一定の関連性を持っています。トムソン効果は導体の両端に温度差がある場合に電位が発生する現象で、ペルチェ効果は帯電した導体の両端に温度差（一端が発熱し、他端が吸熱）が生じる現象で、この二つの効果が結合することでゼーベック効果が構成されます。

要するに、熱電効果とは二つの材料の接点に温度差が存在する場合、電位差と電流が生じる現象を指します。ゼーベック効果は熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、ペルチェ効果は電気エネルギーと熱エネルギーの相互変換を実現し、トムソン効果は電流が材料を通過する際の熱効果を記述しています。