トムソン効果とは

株式会社フォスターでは、コネクタ通電試験を通じた発熱評価に対応しており、ペルチェ・ゼーベック・トムソンの熱電効果を含む総合的な熱解析をサポートしています。

トムソン効果の原理図：温度勾配のある1本の金属導体に電流を流すと、各部で吸熱・発熱が起こるしくみ — トムソン効果のしくみ（温度勾配＋電流 → 吸熱・発熱）

トムソン効果（ケルビン効果）は、単一の均質な導体中に温度勾配と電流が共存するとき、ジュール熱とは別に吸熱または発熱が生じる現象です。これは熱電の第三の効果であり、ゼーベック・ペルチェ効果と並ぶ基本的な熱電現象です。コネクタ端子では接触点付近に局所的な温度勾配が生じるため、微小ながら影響があります。

トムソン効果の定義と式

トムソン効果による単位時間・単位体積あたりの熱放出率q = −τ・J・(dT/dx)で表されます（τ：トムソン係数 μV/K、J：電流密度 A/m²、dT/dx：温度勾配）。τが正の材料（Fe・Cu等）では電流と温度勾配が同方向のとき発熱、逆方向のとき吸熱します。

材料	トムソン係数τ（μV/K）目安	電流方向と温度勾配が同じ場合
銅（Cu）	約+1.8	発熱
鉄（Fe）	約+13	発熱（大）
鉛（Pb）	約+1	発熱
コバルト（Co）	約−13	吸熱（大）
ビスマス（Bi）	約−60	吸熱（非常に大）

ゼーベック・ペルチェ・トムソン効果の関係

3つの熱電効果はケルビンの関係式（π=S·T、τ=T·dS/dT）で結びついています。ゼーベック係数Sが温度依存性を持つ材料ではトムソン効果が顕著です。熱電発電・ペルチェ冷却デバイスの性能評価では3効果を総合的に考慮することが精度向上の鍵です。

トムソン効果をやさしく理解する

ゼーベック効果やペルチェ効果が「異なる2種類の金属の接合部」で起こるのに対し、トムソン効果は接合のない1本の均質な導体の中で起こるのが特徴です。導体に温度勾配（場所による温度差）があるところへ電流を流すと、電流を運ぶ電子が高温側・低温側へ移動する際にエネルギーをやり取りし、導体の各部分で少しずつ吸熱または発熱が生じます。

ジュール熱が「電流の向きに関係なく必ず発熱する」不可逆な現象であるのに対し、トムソン熱は電流の向きによって吸熱と発熱が入れ替わる可逆的な現象である点が大きく異なります。

正のトムソン効果・負のトムソン効果

吸熱と発熱のどちらになるかは材料によって決まり、トムソン係数τの符号で表します。上表のとおり、銅（Cu）や鉄（Fe）のようにτが正の材料では、電流と温度勾配が同じ向きのときに発熱します。一方、コバルト（Co）やビスマス（Bi）のようにτが負の材料では、同じ条件で逆に吸熱します。τの絶対値が大きい材料ほど、トムソン効果による吸発熱も大きくなります。

なぜ日常では気づきにくいのか

トムソン効果による熱は、同じ導体で発生するジュール熱（I²R）に比べて非常に小さく、しかも可逆的で電流の向きによって打ち消す方向にも働きます。そのため、単独でその効果を体感することはほとんどありません。ゼーベック効果（温度計測）やペルチェ効果（冷却）のように単体の製品として実用化されていないのも、この「効果が小さい」ことが理由です。ただし、微小電圧の精密測定や熱電デバイスの高精度な性能評価では、無視できない要因になります。

実務での意味（精密測定・材料評価）

トムソン係数は、ゼーベック係数Sの温度変化率（τ = T·dS/dT）で表され、材料の熱電特性が温度によってどう変化するかを示します。このため、熱電対の高精度化や、熱起電力が問題となる微小電圧測定では、トムソン効果を含む熱電係数の温度依存を考慮することで測定精度を高められます。熱電発電やペルチェ冷却素子の性能評価でも、ゼーベック・ペルチェ・トムソンの3効果を総合的に扱うことが精度向上の鍵となります。

熱電効果3種（ゼーベック・ペルチェ・トムソン）の相互関係

熱・温度電気（電圧・電流）高温低温

3効果を結ぶ「ケルビン（トムソン）の関係式」
ゼーベック（熱→電）とペルチェ（電→熱）は互いに逆過程で、3つの係数は次式で結ばれます。Π = S · Tτ = T · (dS/dT)

効果	入力	出力	エネルギー変換
ゼーベック	温度差 ΔT	電圧 V（V=S·ΔT）	熱 → 電気
ペルチェ	電流 I	熱の吸収／放出 Q（Q=ΠI）	電気 → 熱
トムソン	電流 I ＋温度勾配 ∇T	吸熱／発熱 q	電気＋熱勾配 → 熱