열전소자, 제벡 효과, 펠티에 효과, 톰슨 효과

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열전소자

열전소자(Thermoelectric element, 熱電素子)는 열에너지와 전기에너지를 변환시키는 소자. 즉, 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자의 총칭이다. 

회로의 안정화와 열, 전력, 빛 검출 등에 사용하는 서미스터, 온도를 측정할 때 사용하는 제베크효과를 이용한 소자, 냉동기나 항온조 제작에 사용되는 펠티에소자 등이 있다.

제벡 효과 Seebeck effect

온도차에 의해 폐회로 상에서 전위차가 발생되는 효과. (1822년 발표)

2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되도록 접속하고, 접속한 두 점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하여 전류가 흐른다. 

이 현상을 제베크 효과(Seebeck effect)라 하고, 발생한 기전력을 열기전력이라 한다. 

^[각주:1]

제벡 효과는 열전대(Thermocouple)의 원리이다. 

일부분에 n형 반도체를 사용한 금속 환상 회로의 에너지대 구조를 조사해 보면 다음과 같다. 이것은 고온부에서 많은 전자가 여기되어 충만대에서 전도대로 이동되고 저온부 쪽으로 확산된다. 이에 따라 상대적으로 고온부에서 저온부 쪽으로 향하는 전기장이 생기므로 반도체 내부의 에너지 준위가 경사를 이룬다. 따라서, 양측 금속의 페르미 준위 사이를 온도차가 생겨 고온부가 양전위의 열기전력이 생기고, 또 p형 반도체일 때에는 이 작용이 반대로 되어 저온부가 양전위의 열기전력이 생긴다.

^[각주:2]

Peltier 효과와 Seebeck 효과는 근본적으로 동일한 원리 현상을 서로 상반되는 목적으로 응용한다.

펠티어 효과 Peltier effect

제벡 효과(Seebeck effect)의 반대현상으로, 

전위차를 주었을 때 한쪽은 발열, 한쪽은 흡열 현상이 동시에 일어나 온도차를 발생시키는 효과. (1834년 발표)

2종의 상이한 다른 금속을 접합하여 회로를 형성하며, 전류를 흘리면 한쪽의 접점은 냉각되고, 다른 쪽의 접점은 가열된다.

즉, 한쪽은 냉방이고 다른 쪽은 난방이 된다.

^[각주:3]

회로 내에 전류를 흘리면, 한쪽 접속점에서는 열을 발생하고, 다른 쪽의 접속점에서는 열을 흡수한다.

Peltier effect 를 이용하여 만든 냉동기를 열전냉동기, 전자냉동기라고 부른다.

^[각주:4]

금속과 n형 반도체를 이은 폐회로에서 전류를 흘리지 않을 경우의 에너지대 구조는 전체를 통해서 수평으로 되어 있다. 그러나 전압을 가해서 전류를 흘리면, 그림의 아래와 같이 페르미 준위는 반도체 내부에서 경사를 이루고 양쪽 금속 사이에는 전위차가 생긴다. 이 때, 전자의 운동은 그림의 화살표 방향과 같이 된다. 또, 왼쪽의 금속에 있는 전자가 에너지 준위가 높은 반도체 전도대로 이동하기 위해서는, 그림에서 준위차 W[eV]를 뛰어넘을 만큼의 에너지를 필요로 한다. 이 때문에 전자는 주위로부터 열에너지를 흡수해서 이동하고 ,접합부는 그러한 흡열 작용으로 온도가 떨어진다. 반대로, 반도체에서 오른쪽의 금속으로 이동하려면 낮은 에너지준위로 떨어지는 것이 되므로 에너지를 방출한다. 이 방출 에너지는 발열 작용으로 나타난다. 한편, p형 반도체를 사용할 때에는 전류에 의한 발열, 흡수 등의 현상은 n형의 경우와 반대로 된다.

^[각주:5]

톰슨 효과 Thomson effect

제벡 효과와 펠티어 효과가 서로 연관성이 있다는 효과. (1854년 발표)

균질한 도체에 온도 기울기가 있을 때에 그것에 전류를 흘리면 발열이나 흡열의 현상이 일어난다.

참고.

줄-톰슨 계수Joule-Thomson coefficient

교축 과정 중(등엔탈피) 단위 압력 변화에 대한 온도변화를 나타내는 척도임

단열상태에서의 교축 과정시 다음과 같이 정의되는 계수로 유체의 상태량임

최대역전온도(Maximum inversion temperature) 이상의 교축 과정에서는 냉동효과를 얻을 수 없다.

다시 말해 점선으로 표시한 Inversion line 좌측에 반달 모양에서만 냉각효과를 얻을 수 있다. 

^{[각주:6][각주:7]}

^[각주:8]

대기압 상에서 각 기체들의 톰슨-줄 계수

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2014. 11. 05 작성

1. http://jojo.namoweb.net/webEL/Esyj333/1-4-7.htm [본문으로]
2. http://jojo.namoweb.net/webEL/Esyj333/1-4-7.htm [본문으로]
3. http://jojo.namoweb.net/webEL/Esyj333/1-4-7.htm [본문으로]
4. http://jojo.namoweb.net/webEL/Esyj333/1-4-7.htm [본문으로]
5. http://goo.gl/OrOLnq [본문으로]
6. http://goo.gl/o19s8n [본문으로]
7. http://goo.gl/o19s8n [본문으로]
8. http://goo.gl/urXOws [본문으로]