ゼーベック、ペルチェ、トムソンの熱電効果
熱電冷蔵庫および熱電発電機の動作は、熱電現象に基づいています。これらには、ゼーベック効果、ペルチェ効果、トムソン効果が含まれます。これらの効果は、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換と電気エネルギーから冷エネルギーへの変換の両方に関連しています。
ワイヤの熱電特性は、熱と電流の関係によるものです。
- ゼーベック効果 — 出現 熱起電力 不均一なワイヤーのチェーンの中で、そのセクションのさまざまな温度で。
- ペルチェ効果 — 直流電流が 2 つの異なる導体を通過するときに、その導体の接触部で熱が吸収または放出されます。
- トムソン効果 — 温度勾配が存在する場合の電流が極を通過する際の導体の体積内での熱（スーパージュール）の吸収または放出。
ゼーベック効果、ペルチェ効果、トンプソン効果は運動現象の 1 つです。それらは電荷とエネルギーの移動プロセスに関連しているため、しばしば転移現象と呼ばれます。結晶内の電荷とエネルギーの方向性のある流れは、電場や温度勾配などの外部の力によって生成および維持されます。
粒子 (特に電荷キャリア) の方向性のある流れ — 電子と正孔) は、これらの粒子の濃度勾配の存在下でも発生します。磁場自体は電荷やエネルギーの指向性のある流れを生成しませんが、他の外部の影響によって生成される流れに影響を与えます。
ゼーベコフ効果
ゼーベック効果とは、複数の異なる導体で構成される開電気回路において、接点の一方が温度 T1 (熱接点) を維持し、もう一方の接点が温度 T2 (冷接点) を維持する場合、T1 が T2 に等しくないという条件下で発生することです。両端では熱起電力 E が回路上に発生し、接点が閉じると回路内に電流が発生します。
ゼーベコフ効果:
導体に温度勾配が存在すると、電荷キャリアの熱拡散流がホットエンドからコールドエンドに発生します。電気回路が開いている場合、キャリアが低温端に蓄積し、電子の場合はマイナスに帯電し、ホール伝導の場合はプラスに帯電します。この場合、補償されていないイオン電荷がホットエンドに残ります。
結果として生じる電場は、コールドエンドに向かうキャリアの移動を遅くし、ホットエンドに向かうキャリアの移動を加速します。温度勾配によって形成される非平衡分布関数は、電場の作用によりシフトし、ある程度変形します。結果として生じる分布は、電流がゼロになるようなものです。電場の強さは、それを引き起こした温度勾配に比例します。
比例係数の値とその符号は、材料の特性によって異なります。ゼーベック電場の検出と熱起電力の測定は、異なる材料で構成された回路内でのみ可能です。接触電位の違いは、接触する材料の化学電位の違いに対応します。
ペルチェ効果
ペルチェ効果とは、2 つの導体または半導体で構成される熱電対に直流電流が流れると、(電流の方向に応じて) 一定量の熱が接点で放出または吸収されることです。
電子が電気的接触を通じて p 型材料から n 型材料に移動するとき、そのためにはエネルギー障壁を克服し、結晶格子 (冷接点) からエネルギーを奪う必要があります。逆に、n 型材料から p 型材料に移行する場合、電子は格子 (ホットジャンクション) にエネルギーを与えます。
ペルチェ効果:
トムソン効果
トムソン効果とは、温度勾配が生じた導体や半導体に電流が流れると、ジュール熱に加えて、（電流の方向に応じて）一定量の熱が放出または吸収されることです。
この効果の物理的理由は、自由電子のエネルギーが温度に依存するという事実に関連しています。その後、電子は冷たい化合物よりも熱い化合物の中でより高いエネルギーを獲得します。自由電子の密度も温度の上昇とともに増加し、その結果、熱い端から冷たい端への電子の流れが生じます。
プラスの電荷はホットエンドに蓄積され、マイナスの電荷はコールドエンドに蓄積されます。電荷の再分布により電子の流れが妨げられ、特定の電位差になると電子の流れが完全に停止します。
上で説明した現象は、ホール伝導性のある物質でも同様に発生しますが、唯一の違いは、負の電荷がホットエンドに蓄積し、正に帯電したホールがコールドエンドに蓄積することです。したがって、混合導電率を持つ物質の場合、トムソン効果は無視できることがわかります。
トムソン効果:
トムソン効果は実用化されていませんが、半導体の不純物の導電性の種類を決定するために使用できます。
ゼーベック効果とペルチェ効果の実践
熱電現象: ゼーベック効果とペルチェ効果 — 機械を使わない熱から電気エネルギーへの変換器に実用化を見つける — 熱電発電機 (TEG)、ヒートポンプ内 — 冷却装置、サーモスタット、エアコン、温度センサーなどの測定および制御システム内、熱流 (参照 — 熱電変換器).
熱電デバイスの中心となるのは、TEC1-12706 などの特殊な半導体素子トランスデューサー (熱素子、熱電モジュール) です。詳細はこちらをご覧ください: ペルチェ素子の仕組みと確認・接続方法