熱電ゼーベック効果: それは何ですか?熱電対と熱電発電機の仕組みと動作方法
異なる金属で作られた 2 本のロッドがしっかりと押し付けられると、接触時に二重電気層とそれに対応する電位差が形成されます。
この現象は、接触する 2 つの金属のそれぞれの特性である、金属からの電子の仕事関数の値の違いによるものです。金属からの電子の仕事関数 (または単に仕事関数) は、電子を金属の表面から周囲の真空に移動させるために費やさなければならない仕事です。
実際には、仕事関数が大きいほど、電子が界面を通過できる確率は低くなります。その結果、仕事関数の高い（！）金属がある接点側にはマイナス電荷が溜まり、仕事関数の低い金属側にはプラス電荷が溜まることが分かりました。
イタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタはこの現象を観察し、説明しました。彼は経験から、今日として知られている 2 つの法則を導き出しました。 ボルタの法則.
ボルタの第一法則は次のように聞こえます。2 つの異なる金属が接触すると、接合部の化学的性質と温度に応じて電位差が生じます。
ボルタの第 2 法則: 直列接続されたワイヤの両端の電位差は中間ワイヤに依存せず、最外側のワイヤが同じ温度で接続されたときに発生する電位差に等しい。
古典的な電子理論の観点から、ボルタの実験の異常な結果は非常に簡単に説明されます。金属の外側の電位をゼロとすると、金属の内側は電位を持つのでしょうか？真空に対する電子の I エネルギーは次のようになります。
仕事関数 A1 と A2 を持つ 2 つの異なる金属を接触させると、仕事関数の低い 2 番目の金属から仕事関数のより大きい 1 番目の金属への電子の過剰な遷移が観察されます。
この遷移の結果、最初の金属の電子濃度 (n1) は 2 番目の金属の電子濃度 (n2) に比べて増加し、その結果、金属に向かう逆過剰の電子ガスの拡散流が生成されます。作用機能の違いによって生じる流れ。
2 つの金属の境界における平衡状態では、次の電位差が確立されます。
定常電位差の値は次のように決定できます。
この明らかに温度に依存して接触電位差が生じる現象をこう呼んでいます。 熱電効果またはゼーベック効果… ゼーベック効果は、熱電対と熱電発電機の動作の基礎となっています。
熱電対は、2 つの異なる金属の 2 つの接点で構成されます。接合部の一方が他方よりも高い温度に維持されると、 熱EMF:
熱電対は温度の測定に使用され、さまざまな熱電対から派生したバッテリーは EMF 源として、さらには熱電発電機として使用できます。
熱電発電機では、2 つの異なる金属の接合部が加熱されると、より低い温度にある自由導体間に熱電位差または熱起電力が発生し、そのような回路を抵抗で閉じると電流が流れます。つまり、熱エネルギーが電気エネルギーに直接変換されます。
Volta 氏が述べたように、ゼーベック係数は、この熱電対に含まれる金属の性質に依存します。さまざまな熱電対の ThermoEMF 値は、1 度あたりのマイクロボルトで測定されます。
2 つの異なる金属 A と B を 2 か所で接合したリング ワイヤを使用し、温度 T1 が T2 (2 番目の接合の温度) よりも高くなるように接合の 1 つを温度 T1 に加熱すると、高温状態になります。接触している場合、電流は金属 B から金属 A に、低温では金属 A から金属 B に流れます。この場合の金属 A の熱電磁場は、金属 B に対してプラスであると考えられます。
すべての既知の金属には独自の熱起電力係数の値があり、各金属が以下に関連して正の熱起電力を示すように列内に連続して配置できます。
たとえば、指定された金属を接触温度差 100 度でプラチナと組み合わせた場合に生じる熱起電力 (ミリボルトで表示) のリストを次に示します。
与えられたデータの助けを借りて、たとえば銅とアルミニウムが接続され、接点の温度差が 100 度に維持された場合にどのような熱起電力が生じるかを判断することができます。大きい方の熱起電力値から小さい方の熱起電力値を減算するだけで十分です。したがって、温度差が 100 度の銅とアルミニウムのペアでは、0.74 — 0.38 = 0.36 (mV) に等しい熱起電力が得られます。
純金属をベースにした熱電発電機は効率が悪いため（効率は約 1%）、広く使用されていません。ただし、最大 7% の効率を示す半導体熱電変換器には注目に値します。
これらは、高濃度にドープされた半導体、V 族カルコゲニドをベースとした固溶体をベースにしており、「ホット」側を一定の温度に保つには、太陽光または予熱したオーブンの熱が適しています。
このようなデバイスは、灯台、気象観測所、宇宙船、航行ブイ、アクティブ中継器、石油およびガスのパイプラインの防食保護のためのステーションなど、遠隔地での代替エネルギー源として適用できます。
熱電発電機の主な利点は、可動部品がないこと、動作音が静かであること、サイズが比較的小さいこと、調整が容易であることです。その主な欠点は、効率が 6% 程度と非常に低く、これらの利点を打ち消してしまうことです。