熱電効果とは
熱電効果は、温度差を直接電圧に変換し、その逆も行う現象です。異なる二つの材料を接合して加熱すると、材料間で電子の移動が生じ、電流が流れます。この効果を利用して温度を測定する電気デバイスが熱電対です。
熱電対について
熱電対は、異なる二つの電気伝導体からなる電気接合部を持つ電気デバイスです。熱電効果により、温度依存の電圧が生じ、この電圧を解釈して温度を測定できます。例えば、タイプJ熱電対では、陰極がコンスタンタン、陽極が鉄です。このタイプの熱電対は、熱処理アプリケーションで使用されます。また、タイプT熱電対では、陰極がコンスタンタン、陽極が銅です。これらの熱電対は、極低温で使用されます。
熱電効果の三つの現象
「熱電効果」という用語は、別々に特定された三つの現象を包括します。
ゼーベック効果
ゼーベック効果は、二つの異なる電気伝導体または半導体間の温度差が、二つの物質間に電圧差を生じさせる現象です。この効果は、1821年にトーマス・ゼーベックによって初めて報告されました。ゼーベック効果により生じる電圧は、ゼーベック係数S(S = V/ΔT)と熱電対の二つの接合部間の温度差に依存します。
ペルティエ効果
ペルティエ効果は、ゼーベック効果のアナログです。1834年にジャン・シャルル・アタナーズ・ペルティエによって発見されたこの現象は、二つの異なる伝導体の電気化された接合部での加熱または冷却の存在です。ペルティエ係数(π)は、電流(I)と加熱率(q)の比率によって定義されます。π = I/qで表され、単位電荷あたりに運ばれる熱量を示します。
トムソン効果
トムソン効果は、温度勾配が適用された単一の導体内で発生する電流を記述します。この関係は、q = βIΔTの式で表され、ここでqは加熱率、Iは電流、ΔTは温度変化、βはトムソン係数です。
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。良い熱電材料には、高い電気伝導性(σ)と低い熱伝導性(κ)が必要です。低い熱伝導性を持つことで、一方が熱くなったときに他方が冷たいままでいられるため、温度勾配中で大きな電圧を生成するのに役立ちます。
熱電発電器に一般的に使用される三つの材料は、ビスマステラリド(Bi2Te3)、鉛テラリド(PbTe)、シリコンゲルマニウム(SiGe)です。これらの材料は、熱源、冷却源、および熱電発電器の設計の特性に応じて選択されます。