熱電効果とは
熱電効果は、温度差を直接電圧に変換する、またその逆の現象であり、サーモカップルを通じて行われます。異なる2種類の材料を接合して加熱すると、材料間で電子の移動が発生し、電流が流れます。この効果により、熱電発電が可能になります。
熱電効果の三つの現象
- ゼーベック効果：異なる2種類の導体または半導体間に温度差が存在すると、電圧差が生じます。この現象は、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。
- ペルチェ効果：異なる2種類の導体の接合部に電流を流すと、一方の接合部が加熱され、もう一方が冷却されます。この効果は、1834年にフランスの物理学者ジャン・シャルル・アタナーズ・ペルチェによって発見されました。
- トムソン効果：導体内の温度勾配が存在する場合、ゼーベック係数の勾配が生じ、電流を流すとペルチェ効果の連続版が発生します。この関係は、トムソン係数を用いて説明されます。
熱電効果のメカニズム
例えば、銅と亜鉛のような異なる2種類の金属を接合すると、電子が移動し、電圧が生じます。この電圧は、室温の熱エネルギーだけで測定可能なほどになります。このようなデバイスは一般に「サーモカップル」と呼ばれます。
熱電効果の応用
熱電効果は、熱電発電や熱電冷却、温度測定など、様々な応用があります。熱電発電器は、移動部品がなく、伝統的な熱エンジンよりもコンパクトですが、通常はより高価で効率が低いという欠点があります。
熱電材料
熱電材料は、高い電気伝導率と低い熱伝導率を持つ必要があります。一般的に使用される熱電発電用の半導体材料には、ビスマステルライド、鉛テルライド、シリコンゲルマニウムがあります。最近では、ナノテクノロジーを用いて半導体の熱伝導率を低下させることができます。
熱電発電は、遠隔地や宇宙船、廃熱回収が可能な場所での電力生成に利用されています。また、発展途上国の遠隔地でのエネルギー源としても期待されています。
