熱起電力 (熱起電力) とその技術への応用

熱起電力は、直列接続された不均一な導体からなる電気回路で発生する起電力です。

導体 1 と 2 つの同一の導体 2 で構成され、導体間の接触が異なる温度 T1 と T2 に維持される最も単純な回路が図に示されています。

ワイヤ 1 の両端の温度差により、熱接点付近の電荷キャリアの平均運動エネルギーは、冷接点付近よりも大きくなることがわかります。キャリアは熱い接触から冷たい接触に拡散し、後者はキャリアの符号によって符号が決定される電位を獲得します。チェーンの 2 番目の部分の分岐でも同様のプロセスが発生します。これらの電位間の差が熱起電力です。

閉回路内で接触している金属線の温度が同じであれば、 接触電位差 それらの間の境界では、回路内に電流は生成されず、反対方向の電子の流れのバランスが保たれるだけです。

接触間の電位差の代数和を計算すると、それが消滅することが容易に理解できます。したがって、この場合、回路内に EMF は存在しません。しかし、接触温度が異なる場合はどうなるでしょうか?接点 C と D の温度が異なると仮定します。じゃあ何？まず、金属 B からの電子の仕事関数が金属 A からの仕事関数より小さいと仮定します。

この状況を見てみましょう。接触 D を加熱してみましょう。実際には、接合 D での接触電位差が熱の影響により増加するため、金属 B からの電子が金属 A に移動し始めます。これは、接触 D の近くの金属 A にはより多くの活性電子があり、それらが化合物 B に殺到するために起こります。

化合物 C 付近の電子の濃度が増加すると、接触 C を通って金属 A から金属 B へ移動が始まります。ここで、電子は金属 B に沿って接触 D に移動します。そして、化合物 D の温度が接触に対して上昇し続けると、 C の場合、この閉回路では電子の移動方向は反時計回りに維持されます。EMF の存在の図が表示されます。

このような異種金属で構成される閉回路において、接触温度の差によって生じる起電力を熱起電力または熱起電力といいます。

熱起電力は 2 つの接点間の温度差に直接比例し、回路を構成する金属の種類に依存します。このような回路の電気エネルギーは、実際には、接点間の温度差を維持する熱源の内部エネルギーから得られます。もちろん、この方法で得られる EMF は非常に小さく、金属では接触温度が 1 度異なるとマイクロボルト単位で測定され、最大値は数十マイクロボルトになります。

半導体の場合、半導体自体の電子濃度は温度に大きく依存するため、熱起電力はさらに大きくなり、温度差 1 度あたり 1 ボルトに達します。

電子温度測定には、次を使用します。 熱電対 (熱電対)熱起電力測定の原理に取り組んでいます。熱電対は、両端がはんだ付けされた 2 つの異なる金属で構成されています。 2 つの接点 (ジャンクションと自由端) 間の温度差を維持することにより、熱起電力が測定されます。自由端はここで 2 番目の接点の役割を果たします。デバイスの測定回路は両端に接続されます。

さまざまな温度範囲に応じてさまざまな金属の熱電対が選択され、科学技術の分野ではそれらの助けを借りて温度が測定されます。

超精密温度計は熱電対に基づいて作られています。熱電対を使用すると、非常に低い温度と非常に高い温度の両方を高精度で測定できます。さらに、測定の精度は最終的には熱起電力を測定する電圧計の精度に依存します。

この図は、2 つの接点を持つ熱電対を示しています。一方の接点は溶けた雪に浸されており、もう一方の接点の温度は、度単位で校正された電圧計を使用して測定されます。このような温度計の感度を高めるために、熱電対がバッテリーに接続されることがあります。非常に弱い放射エネルギー束（例えば、遠くの星から）でも、この方法で測定できます。

実際の測定には、鉄-コンスタンタン、銅-コンスタンタン、クロメル-アルメルなどがよく使用されます。高温に関しては、プラチナとその合金を含む蒸気、つまり耐火物を利用します。

熱電対の応用は広く受け入れられています 自動温度制御システムで 熱電対信号は電気的であり、特定の加熱装置の出力を調整する電子機器によって簡単に解釈できるため、多くの現代産業で使用されています。

この熱電効果 (ゼーベック効果と呼ばれる) の逆の効果、つまり回路に直流電流を流しながら一方の接点を加熱し、同時に他方の接点を冷却する効果をペルチェ効果と呼びます。

どちらの効果も、熱電発電機と熱電冷凍機で使用されます。詳細については、ここを参照してください。ゼーベック、ペルチェ、トムソンの熱電効果とその応用