열전 효과

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열전 효과
원칙 열전 효과 제벡 효과 펠티에 효과 톰슨 효과 제벡 계수 에팅스하우젠 효과 네른스트 효과
적용들 열전 재료 열전대 서모파일 열전 냉각 열전 발전기 방사성 동위원소 열전 발전기 자동차용 열전 발전기
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열전 효과는 온도 차이를 ^[1]열전대를 통해 전기 전압으로 직접 변환하는 것입니다.열전 소자는 각 측면에 다른 온도가 있을 때 전압을 생성한다.반대로 전압이 인가되면 열이 한쪽에서 다른 쪽으로 전달되어 온도차가 생긴다.원자 스케일에서 인가된 온도 구배는 재료 중의 전하 캐리어를 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 확산시킨다.

이 효과는 전기를 발생시키거나, 온도를 측정하거나, 물체의 온도를 변경하는 데 사용될 수 있습니다.가해지는 전압에 의해 냉난방 방향이 영향을 받기 때문에 열전 소자를 온도 조절기로 사용할 수 있다.

"열전 효과"라는 용어는 별도로 식별된 세 가지 효과, 즉 제벡 효과, 펠티어 효과 및 톰슨 효과를 포함한다.제벡 효과와 펠티에 효과는 동일한 물리적 과정의 다른 표현이다; 교과서는 이 과정을 펠티에-제벡 효과라고 언급할 수 있다. (이 분리는 프랑스 물리학자 장 샤를 아타나세 펠티에와 발트 독일 물리학자 토마스 요한 제벡의 독립적인 발견에서 비롯된다.)톰슨 효과는 펠티어-제벡 모델의 확장이며 켈빈 경의 공로를 인정한다.

줄 가열은 전류가 전도성 물질을 통과할 때마다 발생하는 열로 일반적으로 열전 효과라고 하지 않습니다.펠티에-제벡 효과와 톰슨 효과는 열역학적으로 ^[2]가역적인 반면 줄 가열은 그렇지 않다.

제벡 효과

제벡 효과는 전기 전도 재료의 두 지점에 온도 차이가 있을 때 발생하는 기전력(emf)입니다.emf는 제벡 emf(또는 열/열/열전 emf)라고 불립니다.emf와 온도차이의 비율은 제벡 계수입니다.열전대는 서로 다른 두 재료에 대해 핫엔드와 콜드엔드의 전위차를 측정합니다.이 전위차는 핫엔드와 콜드엔드의 온도차에 비례합니다.1794년 이탈리아 과학자 알레산드로 ^{[3][note 1]}볼타에 의해 처음 발견되었으며, 1821년 독립적으로 ^[4]이것을 재발견한 발트 독일 물리학자 토마스 요한 제베크의 이름을 따왔다.나침반 바늘은 두 곳에서 접합된 두 개의 다른 금속에 의해 형성된 닫힌 고리에 의해 꺾이는 것으로 관찰되었으며, 접합부 사이에 온도 차이가 적용되었다.이는 전자 에너지 수준이 금속마다 다르게 변화하여 와이어를 통해 전류를 생성하는 접합부와 와이어 주위의 자기장 사이에 전위차를 생성했기 때문입니다.제벡은 전류가 관여하고 있다는 것을 인식하지 못했기 때문에 이 현상을 "열자기 효과"라고 불렀다.덴마크의 물리학자 Hans Christian örsted는 이러한 실수를 바로잡고 "열전기"^[5]라는 용어를 만들었다.

제벡 효과는 기전력(EMF)의 전형적인 예이며 다른 EMF와 동일한 방식으로 측정 가능한 전류 또는 전압을 유도합니다.로컬 전류 밀도는 다음과 같습니다.

$\displaystyle \mathbf {J} = \displaysla V+\mathbf {E} _{\text{emf}}},$

$여기$서 V$(\displaystyle$ V$)$는 로컬 ^[6]전압이고$${\(\$displaystyle \sigma)$는 로컬 전도율입니다.일반적으로 제벡 효과는 전기장의 생성에 의해 국소적으로 설명된다.

$\displaystyle \mathbf {E} _{\text{emf}}=-S\nabla T,}$

$여기$서 S$(\displaystyle$ S$)$는 로컬 재료의 특성인 Seebeck 계수(서모파워라고도 함)이고 ${\displaystyle \mathrm{}\delta }$T(\$displaystyle \nabla$ T$)$는 온도 구배입니다.

제벡 계수는 일반적으로 온도의 함수에 따라 다르며 도체의 구성에 따라 크게 달라진다.상온에서 일반 재료의 경우, 제벡 계수는 -100μV/K에서 +1,000μV/K까지의 값을 가질 수 있다(자세한 내용은 제벡 계수 기사 참조).

시스템이 정상 상태($=$0${\displaystyle \mathbf$ {$J}$$=$ 0})에 도달한 경우 전압 구배는 emf:${\displaystyle \mathrm{}v}$ $=$ - S${\displaystyle \mathrm{}t}$T {\$displaystyle \displaystyle$ V $=-S\nabla$ T$\}$ )에 의해 간단히 지정됩니다. 이 간단한 관계는 열전쌍의 온도 측정에서 사용됩니다.온도는 알려진 기준 온도에서 전압 측정을 수행하여 확인할 수 있습니다.이미 알려진 조성의 금속 프로브를 일정한 온도로 유지하고 프로브 온도에 국소적으로 가열되는 미지의 시료와 접촉시키면 미지의 조성 금속을 열전 효과로 분류할 수 있다.금속 합금을 식별하기 위해 상업적으로 사용됩니다.열전쌍은 직렬로 열전쌍을 형성한다.열전 발전기는 열차로부터 전력을 생산하는 데 사용됩니다.

펠티에 효과

전류가 열전쌍의 회로를 통과하면 열이 한 접점에서 발생하고 다른 접점에서 흡수됩니다.이것은 펠티어 효과로 알려져 있다.펠티에 효과는 두 개의 다른 도체의 전기 접합부에 가열 또는 냉각이 존재하는 것으로, ^[7]1834년에 이것을 발견한 프랑스 물리학자 장 샤를 아타나세 펠티에의 이름을 따서 붙여졌습니다.전류가 A와 B의 두 도체 사이의 접점에 흐르면 접점에서 열이 발생하거나 제거될 수 있습니다.단위시간당 접합부에서 발생하는 펠티에 열은

${\displaystyle {Q}}=(\Pi_{\text{\text})A}}-\Pi _{\text{B}})I,}$

여기서 ${\displaystyle a_{}}$ A$$\ $displaystyle$\$Pi$_ { \ $text$}$A}}$과(${\displaystyle {와}_{}}$) B$(\$text${$$B}}$는 도체 A와 B의 펠티어 $계수$이며$,$ I(\$displaystyle$ I$)$는 전류(A에서 B까지)입니다.총 발생 열은 줄 가열 및 열-경사 효과(아래 참조)의 영향을 받을 수 있기 때문에 펠티에 효과만으로 결정되지 않습니다.

펠티어 계수는 단위 전하당 전달되는 열의 양을 나타냅니다.전하 전류는 접점 전체에 걸쳐 연속적이어야 하므로 ${\displaystyle {\delta }_{}}$ A$${\$displaystyle \Pi$ _${\text}$의 경우 관련 열 흐름이 중단됩니다.$A}}$과(${\displaystyle {와}_{}}$) B$(\$text${$$B}}}$는 다릅니다.Peltier 효과는 Seebeck 효과(자기 유도의 Back-EMF와 유사함)의 역작용으로 간주할 수 있습니다. 단순 열전 회로가 닫히면 Seebeck 효과가 전류를 구동하며, 이 전류는 (Peltier 효과에 의해) 항상 고온에서 냉간 접점으로 열을 전달합니다.펠티에 효과와 제벡 효과의 밀접한 관계는 계수 사이의 직접적인 연관성에서 확인할 수 있다. $\delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle T}$S {\$displaystyle \Pi$=$TS}$ (아래 참조)

일반적인 펠티어 히트 펌프는 전류가 구동되는 직렬로 여러 접합부를 포함합니다.펠티에 효과로 인해 열이 손실되는 교차로도 있고 열을 얻는 교차로도 있습니다.열전 열펌프는 냉장고에서 볼 수 있는 열전 냉각 장치처럼 이 현상을 이용한다.

톰슨 효과

다른 재료에서 제벡 계수는 온도가 일정하지 않으므로, 온도의 공간적 구배는 제벡 계수의 구배를 초래할 수 있다.전류가 이 구배를 통해 흐르면 펠티에 효과의 연속 버전이 발생합니다.이 톰슨 효과는 1851년 켈빈 경(윌리엄 ^[8]톰슨)에 의해 예측되고 나중에 관찰되었습니다.온도 구배와 함께 전류가 흐르는 도체의 가열 또는 냉방을 설명합니다.

전류 $밀도{\displaystyle \mathbf{}}$J(\$displaystyle\mathbf {J})$가 균일한 도체를 통과할 경우 톰슨 효과는 단위 부피당 열 생성 속도를 예측합니다.

$({displaystyle {dot {q}}=-{\mathcal {K}}\mathbf {J}\cdot \cdla T,})$

여기서${\displaystyle \mathrm{}\theta }$ T$(\displaystyle\nabla$ T$)$는 온도 구배,$$K(\$displaystyle\mathcal {K})$는 톰슨 계수입니다.톰슨 계수는 K ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle d\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ d$$ \ $display$ { $mathcal${$$K$} = T${ \ $tfrac$ { $dS$} { d } { $d$ } $k{\displaystyle \mathcal{}}$ k k k k k k k k k k k k co co k co the the the the the the the the co co co the the the the co the co co$T}}}($아래 참조).그러나 이 방정식은 줄 가열과 일반 열전도율을 무시합니다(아래의 전체 방정식 참조).

완전 열전 방정식

종종 위의 효과 중 하나 이상이 실제 열전 소자의 작동에 관련됩니다.여기에 설명된 바와 같이 제벡 효과, 펠티에 효과 및 톰슨 효과는 일관되고 엄격한 방법으로 함께 모일 수 있습니다. 여기에는 줄 난방 및 일반 열 전도의 효과도 포함됩니다.위에서 설명한 바와 같이, 제벡 효과는 기전력을 발생시켜 전류^[9] 방정식으로 이어집니다.

$(\displaystyle \mathbf {J} =\display(-{\boldsymbol {\cla }}V-S\nabla T).}$

펠티어와 톰슨 효과를 설명하기 위해서는 에너지의 흐름을 고려해야 합니다.온도와 전하가 시간에 따라 변화할 경우 에너지 축적을 위한 완전한 열전 $방정식{\displaystyle \stackrel{}{}}$ e ${\$ ${\displaystyle {e$는^[9] 다음과 같습니다.

${\displaystyle {e}=\dotla \cdot (\kappa \cdla T)-\nabla \cdot (V+\Pi)\mathbf {J} +{\dot {q}}_{\text}}}},$

여기서$\delta {\displaystyle }$(\$displaystyle \kappa)$는 열전도율입니다.첫 번째 항은 푸리에의 열전도 법칙이고, 두 번째 항은 전류에 의해 전달되는 에너지를 나타냅니다.$세{\displaystyle {\stackrel{}{}}_{}}$ 번째 용어 q$ext$ { display { $dot { q$ } _ { \$text$ { $ext$}$$, 、 외부 소스(해당하는 경우)에서 추가된 열을 나타냅니다.

$물질$이 정상 상태에 도달하면 전하 및 온도 분포가 $안정적$이므로 e ${\displaystyle \stackrel{}{\dot{}}}$ ${\displaystyle =}$ { style {$dot${$$e } $={\displaystyle \mathrm{}}$$0$ ${\displaystyle j}$ J ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 0}${ style \$display$\ $cdot$\$mathbf${ $J$} =$0$} 이며, 이러한 사실과 두 번째 톰슨 관계(아래 참조)를 이용하여 열 방정식을 단순화할 수 있다.

$(\displaystyle - {\dot {q}}_{\text}}=\cdot (\kappa \cdla T)+\mathbf {J}\cdot \left (\cdot ^{-1}\mathbf {J} \right)-T\mathbf {J} \cdot \cdot S).}$

중간 용어는 줄 가열이며, 마지막 용어는 펠티에 효과( thomson${\displaystyle \mathrm{}S}$\$nabla$ S$)와 톰슨$ 효과( thomson S$$\$nabla$ S \$nabla$ S \nabla S$)$를 모두 포함합니다.J${\displaystyle$ \$mathbf${J$\}\}$에 $대한{\displaystyle \mathbf{}}$ Seebeck 방정식과 조합하여 복잡한 시스템의 정상 상태 전압 및 온도 프로파일을 풀 수 있습니다.

재료가 정상 상태가 아닌 경우, 완전한 설명은 전기 용량, 인덕턴스 및 열 용량과 관련된 동적 효과를 포함해야 합니다.

열전 효과는 평형 열역학 범위를 벗어난다.그것들은 필연적으로 지속적인 에너지 흐름을 수반한다.적어도 주변 환경의 특별한 배열과 함께 특정한 방식으로 배열된 세 개의 물체 또는 열역학 서브시스템을 포함한다.세 개의 물체는 두 개의 다른 금속과 그 결합 영역입니다.접합 영역은 물질의 확산에 의한 합병을 겪지 않고 안정적인 것으로 가정되는 불균일한 물체이다.주변은 온도 탱크 2개와 전기 탱크 2개를 유지하도록 배치되어 있습니다.열역학적 평형을 위해 열 저장소에서 냉 저장소로의 열 전달은 전기 저장소로 유지되는 특정 일치 전압 차이로 방지해야 하며 전류는 0이어야 합니다.실제로 정상 상태를 유지하려면 적어도 약간의 열 전달 또는 0이 아닌 전류가 있어야 합니다.에너지 전달의 두 가지 모드(열과 전류)는 세 가지 다른 물체와 다른 주변 배열이 있을 때 구별할 수 있다.그러나 매체의 지속적인 변동의 경우 열전달과 열역학적 작업을 고유하게 구분할 수 없습니다.이것은 각각 2개의 동종 서브시스템이 연결되어 있는 열역학 프로세스보다 더 복잡합니다.

톰슨 관계

1854년 켈빈 경은 톰슨,^[10] 펠티어, 시벡 효과가 한 효과의 다른 표현임을 암시하는 세 계수 사이의 관계를 발견했다.

첫 번째 톰슨^[9] 관계는

${\displaystyle {\mathcal {K}}\equiv {frac {d\Pi}{dT}}-S,}$

$여기$서 T$(\displaystyle$ T$)$는 절대 온도, K$(\$는 톰슨 계수,$\delta {\displaystyle \mathrm{}}$(\$displaystyle\Pi})$는 펠티어 계수, $(\displaystyle$ S$)$는 제벡 계수입니다.Thomson 효과가 Peltier 효과의 연속 버전이라는 점을 고려할 때 이러한 관계는 쉽게 나타납니다.

두 번째 톰슨 관계는

$\displaystyle \Pi = TS.}$

이 관계는 펠티에 효과와 제벡 효과 사이의 미묘하고 근본적인 관계를 나타낸다.Onsager 관계가 나타나기 전까지는 충분히 증명되지 않았으며, 이 두 번째 Thomson 관계는 시간 역대칭 재료에 대해서만 보장된다는 것을 주목할 필요가 있습니다. 재료가 자기장에 배치되거나 자기 순서(강자성, 반강자성 등)인 경우 두 번째 Thomson 관계는 다음과 같습니다.여기에 ^[11]나와 있는 간단한 형식을 취하지 마십시오.

이제 두 번째 관계를 사용하여 첫 번째 톰슨 관계가

${\displaystyle {\mathcal {K}}=T{\tfrac {dS}{dT}}}$

Thomson 계수는 개별 재료에서 직접 측정할 수 있는 유일한 열전 계수이기 때문에 세 가지 주요 열전 계수 중 고유합니다.펠티에와 제벡 계수는 재료 쌍에 대해서만 쉽게 결정할 수 있으므로 개별 재료에 대한 절대 제벡 계수 또는 펠티에 계수 값을 찾기가 어렵다.

재료의 Thomson 계수가 넓은 온도 범위에서 측정되는 경우, Thomson 관계를 사용하여 Peltier 및 Seebeck 계수의 절대 값을 결정할 수 있습니다.다른 값은 표준물질을 포함하는 열전대에서 쌍으로 제벡 계수를 측정한 다음 기준물질의 절대 제벡 계수를 다시 추가하여 결정할 수 있기 때문에 이것은 한 재료에 대해서만 수행되어야 한다.절대 제벡 계수 결정에 대한 자세한 내용은 제벡 계수를 참조하십시오.

적용들

열전 발전기

제벡 효과는 열 엔진과 같은 기능을 하지만 부피가 작고 가동 부품이 없으며 일반적으로 더 비싸고 효율이 떨어지는 열전 발전기에 사용됩니다.폐열을 추가 전력(에너지 재활용의 일종)으로 변환하는 발전소와 연료 효율을 높이기 위한 자동차 열전 발전기(ATG)로 사용됩니다.우주 탐사선은 종종 같은 메커니즘을 가진 방사성 동위원소 열전 발전기를 사용하지만 필요한 열차를 발생시키기 위해 방사성 동위원소를 사용한다.최근에는 스토브 선풍기,^[12] 체열로^[13] 구동되는 조명,^[14] 체열로 구동되는 스마트워치 등이 사용되고 있다.

펠티에 효과

Peltier 효과를 사용하여 컴팩트하고 순환 유체나 가동 부품이 없는 냉장고를 만들 수 있습니다.이러한 냉장고는 효율성이 매우 낮다는 단점보다 장점이 더 많은 용도에 유용합니다.펠티에 효과는 또한 많은 열 사이클러에 의해 사용되며, 중합효소 연쇄 반응(PCR)에 의해 DNA를 증폭하는 데 사용되는 실험실 장치입니다.PCR에서는 지정된 온도로 샘플을 주기적으로 가열 및 냉각해야 합니다.좁은 공간에 많은 열전대를 포함하면 많은 샘플을 병렬로 증폭할 수 있습니다.

온도 측정

열전대 및 열전원은 제벡 효과를 사용하여 두 물체 간의 온도 차이를 측정하는 장치입니다.열전대는 종종 고온 측정에 사용되며, 한 접합부의 온도를 일정하게 유지하거나 독립적으로 측정합니다(냉접점 보상).서모파일은 매우 작은 온도 차이의 민감한 측정을 위해 직렬로 전기적으로 연결된 많은 열전대를 사용합니다.

제습기

펠티어 제습기는 차가운 히트 싱크를 통해 습한 공기를 주입함으로써 작동합니다.공기가 차가운 표면 위를 지날 때, 공기가 식고 그 안에 포함된 수증기가 히트 싱크로 응축됩니다.그리고 나서 물은 물탱크로 흘러내린다.건조한 공기는 펠티에 셀의 뜨거운 면을 식히기 위해 다른 히트 싱크로 강제하여 실내로 방출할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 네른스트 효과 – 시료가 서로 수직(수직)인 자기장과 온도 구배를 통해 전기 전도를 허용하는 열전 현상
• 에팅스하우젠 효과 – 자기장 내 도체의 전류에 영향을 미치는 열전 현상
• 열전 – 가열/냉각 후 결정에서 전기 편파 발생, 열전과는 다른 효과
• 서모갈바닉 셀 - 서로 다른 온도의 전극이 있는 갈바닉 셀로부터 전력을 생산합니다.
• 열광전 - 광전 효과를 이용한 열 에너지로 전력 생산

레퍼런스

메모들

추가 정보

외부 링크

• 국제 열전 학회
• Föll, Helmut (Oct 2019). "2.3.3 Thermoelectric Effects: General Consideration". Electronic Materials. University of Kiel.
• 열다이오드 효율증가에 관한 뉴스 기사