ペルチェ効果とペルチェ冷却
ペルチェ効果は、ゼーベック効果に類似した現象であり、異なる2つの導体の電化された接合部での加熱または冷却の存在を指します。この効果は、フランスの物理学者ジャン・シャルル・アタナーズ・ペルチェによって1834年に発見され、彼の名前が付けられました。ゼーベック効果が異なる温度で保持された接合部J1とJ2を通じてCとDの間に電位差を生成するのに対し、ペルチェ効果では電動力源を用いて電流を駆動し、一方の接合部を加熱し、もう一方を冷却します。
ペルチェ係数
ペルチェ効果は、ペルチェ係数(π)によって定量的に記述できます。ペルチェ係数は、電流(I)と加熱率(q)の比率によって決定され、π = I/qと表されます。これは、単位電荷あたりに運ばれる熱量を表し、どの接合部が加熱され、どの接合部が冷却されるかによってπの符号が決まります。
熱電冷却装置
典型的なペルチェ熱ポンプは、電流が流れる複数の接合部を直列に配置したものです。これらの接合部の一部はペルチェ効果によって熱を失い、他の部分は熱を得ます。この現象を利用した熱電冷却装置は、冷蔵庫に見られるような熱電冷却デバイスで利用されています。
トムソン効果
異なる材料では、ゼーベック係数は温度に対して一定ではなく、温度の空間勾配がゼーベック係数の勾配を引き起こす可能性があります。この勾配を通じて電流が駆動されると、ペルチェ効果の連続バージョンが発生します。トムソン効果は、小さな温度勾配が適用された単一の導体内で発生する結果として生じる電流を記述します。この関係は式q = βIΔTによって記述され、ここでqは加熱率、Iは電流、ΔTは温度変化、βはトムソン係数を表します。
熱電材料
熱電材料は、熱電変換として知られるプロセスによって熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。温度差を生じさせる熱源は、燃焼エンジン、太陽光、化学反応、または核崩壊があります。これらの材料は、高い電気伝導性(σ)と低い熱伝導性(κ)の両方を持つことが良好な熱電材料であるための要件です。低い熱伝導性は、一方の側面が熱くなったときに、他方の側面が冷たいままになることを保証し、温度勾配において大きな電圧を生成するのに役立ちます。
長年にわたり、熱電発電機に使用される3つの主要な半導体材料は、低熱伝導性と高電力係数を有するビスマステルライド(Bi2Te3)、鉛テルライド(PbTe)、シリコンゲルマニウム(SiGe)でした。これらの材料は、熱源、冷却シンク、および熱電発電機の設計の特性に応じて選択されます。今日では、半導体の熱伝導性を低下させることが、ナノテクノロジーを使用して、その高い電気的特性に影響を与えることなく達成できます。これは、バルク半導体材料内にナノスケールの特徴、例えば粒子、ワイヤ、または界面を作成することによって達成されます。
