서모커플과 온도전기효과
온도전기효과란 온도 차이를 직접 전기 전압으로 변환하고 그 반대의 과정을 수행하는 현상을 말합니다. 서로 다른 두 재료를 접합하고 가열하면 재료 간에 전자가 이동하면서 전류가 흐르게 됩니다. 이러한 현상은 서모커플이라고 불리는 전기 장치에 의해 발생합니다. 서모커플은 두 가지 서로 다른 전기 전도체로 구성되어 있으며, 온도전기효과로 인해 온도에 따라 변하는 전압을 생성합니다. 이 전압은 온도를 측정하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 타입 J 서모커플의 경우, 음성 요소는 콘스탄탄이고 양성 요소는 철입니다. 이러한 타입의 서모커플은 열처리 응용 분야에서 사용됩니다. 또한, 타입 T 서모커플의 경우 음성 요소는 콘스탄탄이고 양성 요소는 구리입니다. 이 서모커플은 저온 온도에서 사용됩니다.
온도전기효과의 세 가지 현상
온도전기효과에는 세 가지 별도로 식별된 현상이 포함됩니다: 지벡 효과, 펠티어 효과, 그리고 톰슨 효과입니다.
지벡 효과
지벡 효과는 두 가지 서로 다른 전기 전도체 또는 반도체 사이의 온도 차이가 두 물질 사이의 전압 차이를 생성하는 현상입니다. 이 효과는 지벡 계수 S (S = V/ΔT)와 서모커플의 두 접합 사이의 온도 차이에 따라 달라집니다.
펠티어 효과
펠티어 효과는 지벡 효과의 아날로그로, 두 가지 다른 전도체의 전기화된 접합부에서 발생하는 가열 또는 냉각 현상입니다. 펠티어 계수 π는 전류 I와 발열율 q의 비율로 결정됩니다(π = I/q). 이 계수는 단위 전하당 운반되는 열의 양을 나타냅니다.
톰슨 효과
톰슨 효과는 서로 다른 재료에서 지벡 계수가 온도에 따라 일정하지 않아 온도의 공간적 변화가 지벡 계수의 변화를 초래할 때 발생합니다. 이 현상은 연속적인 펠티어 효과의 형태로 나타납니다. 톰슨 효과는 다음 식으로 설명됩니다: q = βIΔT, 여기서 q는 발열율, I는 전기 전류, ΔT는 온도 변화, 그리고 β는 톰슨 계수입니다.
서모커플의 작동 원리
예를 들어, 구리와 아연과 같은 두 가지 서로 다른 금속이 접합되면 전자의 이동이 발생할 수 있습니다. 구리 원자에서 전자가 떠나 아연 원자로 들어가면 아연은 전자의 과잉으로 인해 음전하를 띠게 되고 구리는 전자를 잃어 양전하를 띠게 됩니다. 이로 인해 두 금속의 접합부에 전압 차이가 생깁니다. 이러한 장치는 일반적으로 “서모커플”이라고 불립니다.
열전 재료
열전 재료는 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정인 열전 변환을 통해 작동합니다. 열원으로는 연소 엔진, 태양광, 화학 반응 또는 핵 붕괴가 있을 수 있습니다. 이러한 재료는 높은 전기 전도도(σ)와 낮은 열 전도도(κ)를 가져야 합니다. 낮은 열 전도도를 가짐으로써 한쪽이 뜨거워질 때 다른 쪽이 차가워지게 하여 온도 구배에서 큰 전압을 생성하는 데 도움이 됩니다.
