湯姆遜效應

威廉·湯姆遜1824年生於愛爾蘭，父親詹姆士是貝爾法斯特皇家學院的數學教授，后因任教格拉斯哥大學，在威廉8歲那年全家遷往蘇格蘭的格拉斯哥。湯姆遜十歲便入讀格拉斯哥大學 (你不必驚訝，在那個時代，愛爾蘭的大學會取錄最有才華的小學生)，約在14歲開始學習大學程度的課程，15歲時憑一篇題為“地球形狀”的文章獲得大學的金獎章。湯姆遜後來到了劍橋大學學習，並以全年級第2名的成績畢業。他畢業後到了巴黎，在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。1846年，湯姆遜再回到格拉斯哥大學擔任自然哲學 (即現在的物理學) 教授，直到1899年退休為止。

湯姆遜在格拉斯哥大學創建了第一所現代物理實驗室；24歲時發表一部熱力學專著，建立溫度的“絕對熱力學溫標”；27歲時發表《熱力學理論》一書，建立熱力學第二定律，使其成為物理學基本定律；與焦耳共同發現氣體擴散時的焦耳－湯姆遜效應；歷經9年建立歐美之間永久大西洋海底電纜，由此獲得“開爾文勛爵”的貴族稱號。

湯姆遜一生研究範圍相當廣泛，他在數學物理、熱力學、電磁學、彈性力學、以太理論和地球科學等方面都有重大貢獻。

1821年，德國物理學家塞貝克發現，在兩種不同的金屬所組成的閉合迴路中，當兩接觸處的溫度不同時，迴路中會產生一個電勢，此所謂“塞貝克效應”。1834年，法國實驗科學家帕爾帖發現了它的反效應：兩種不同的金屬構成閉合迴路，當迴路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產生溫差，此所謂珀爾帖效應。1837年，俄國物理學家愣次又發現，電流的方向決定了吸收還是產生熱量，發熱（製冷）量的多少與電流的大小成正比。

1856年，湯姆遜利用他所創立的熱力學原理對塞貝克效應和帕爾帖效應進行了全面分析，並將本來互不相干的塞貝克係數和帕爾帖係數之間建立了聯繫。湯姆遜認為，在絕對零度時，帕爾帖係數與塞貝克係數之間存在簡單的倍數關係。在此基礎上，他又從理論上預言了一種新的溫差電效應，即當電流在溫度不均勻的導體中流過時，導體除產生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。或者反過來，當一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現象后叫湯姆孫效應（Thomson effect），成為繼塞貝克效應和帕爾帖效應之後的第三個熱電效應（thermoelectric effect）。

湯姆遜效應的物理學解釋是：金屬中溫度不均勻時，溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動能大。像氣體一樣，當溫度不均勻時會產生熱擴散，因此自由電子從溫度高端向溫度低端擴散，在低溫端堆積起來，從而在導體內形成電場，在金屬棒兩端便引成一個電勢差。這種自由電子的擴散作用一直進行到電場力對電子的作用與電子的熱擴散平衡為止。

式中 eA（T，T0）：導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電勢；

T，T0 : 分別為金屬棒高、底端的絕對溫度；

σA ：湯姆遜係數，其數值非常小，而且與金屬材料及其溫度有關，譬如銅在0℃時湯姆遜係數只有2μV/℃，鉍的係數比較大，常溫下也只有10 μV/℃左右。