제벡 효과와 제벡 계수

제벡 효과(Seebeck effect)는 재료의 온도 구배에 따른 전위의 축적 용량을 보여줍니다. 재료의 Seebeck 계수는 특정 유형의 재료에 대한 Seebeck 효과의 우세를 측정한 것입니다.

 

열전 효과의 기본 사항을 알아보면 열전대를 통해 서로 다른 두 금속의 온도 차이를 전위로 직접 변환할 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

 

-  열전 효과

열전 장치는 양면의 접합부 사이에 온도 차이가 있을 때 전위를 생성합니다.

대조적으로, 전위를 가할 때 열은 한쪽에서 다른 쪽으로 전달되어 온도 차이를 일으킵니다. 적용된 온도 구배는 전하 캐리어가 재료의 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 확산되도록 합니다.

 

열전 효과는 전위(emf)를 생성하거나, 온도를 측정하거나, 물체의 온도를 변경할 수 있습니다. 인가된 전압의 방향은 가열과 냉각 모두에 영향을 미치기 때문에 열전 장치를 온도 컨트롤러로 사용할 수 있습니다.

 

 

 

 

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"열전 효과"라는 용어는 별도로 식별 된 세 가지 효과로 둘러싸여 있습니다.

• 제벡 효과
• 펠티에 효과
• 톰슨 효과

 

제벡 효과(Seebeck effect)는 회로에서 서로 다른 두 금속 또는 반도체 사이의 온도 차이가 전압으로 변환되는 열전 현상을 설명합니다.

• 1821년에 발견된 제벡 효과(Seebeck effect)는 온도, 열전 및 전도도와 관련된 유사한 과정을 설명하는 세 가지 가역적 현상 중 하나입니다.
• 1834 년에 펠티에 효과가 처음으로 관찰되었습니다.
• 톰슨 효과는 1851년에 처음 설명되었습니다.

 

 

제벡 효과는 독일의 물리학자인 토마스 요한 제벡(1770-831)의 이름을 따서 명명되었습니다. 제벡은 1821년에 발견되었다. 두 개의 서로 다른 금속이 있는 두 개의 접합부로 구성된 회로가 기전력을 생성한다고 명시되어 있습니다.

제벡이 나침반을 자신이 만든 회로 근처로 옮겼을 때, 바늘이 약간 흔들리는 것을 발견했고 온도 차이가 증가함에 따라 편차의 크기가 비례하여 증가한다는 것을 발견했습니다.

 

또한 그의 실험은 금속 도체를 따른 온도 분포가 나침반에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었습니다. 그러나 그가 사용하는 금속의 종류를 바꾸면 바늘의 편향 정도가 바뀌 었습니다.

Seebeck의 실험에서 금속은 온도에 반응하여 회로에 전류 루프와 자기장을 생성했습니다. 제벡은 당시 전류를 인지하지 못했고, 그것이 열자기 효과라고 잘못 생각했습니다. 

 

 

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1. 제벡 효과(Seebeck effect)란?

두 개의 도체 또는 반도체에 의해 형성된 접합부 중 하나에 열을 가하면 전자가 다이너마이화됩니다. 연결의 한쪽이 이 열을 받으면 전자가 두 도체의 더 차가운 쪽으로 이동하기 시작합니다. 두 도체가 회로 형태인 경우 직류가 해당 회로를 통해 흐릅니다.

 

 

 

제벡 효과로 인한 전압은 매우 낮습니다. 그러나 생성되는 전압 범위는 일반적으로 단위 온도당 마이크로볼트(볼트의 백만분의 일) 정도입니다. 온도 차이에 따라 일부 장치는 몇 밀리볼트를 생성할 수 있습니다.

전원 공급 장치의 용량을 늘리기 위해 여러 장치를 병렬로 연결할 수 있습니다.

 

 

 

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2. 제벡 계수

이러한 접합부에 의해 생성되는 전압은 온도 차이에 비례합니다.

S로 표시되는 제벡 계수는 비례 상수입니다. 수학적으로 Seebeck 계수는 다음 공식으로 표시됩니다.

 

 

온도 차이에 대해 발생하는 전압의 비율은 "제벡 계수(Seebeck coefficient)"라고 하는 재료의 고유 특성과 관련이 있습니다. 

 

ΔV는 전압 차이입니다.

ΔT는 두 접합부(뜨거운면과 차가운 쪽) 사이의 온도 차이입니다. 

 

제벡 계수의 국제 단위계(SI 단위)는 켈빈당 볼트(V/K)입니다. 또한 켈빈당 마이크로볼트(μV/K)로 표시됩니다. 반도체 재료에 대한 제벡 계수는 몇 백 μV /K 정도인 반면 금속의 경우 백 미만에 불과합니다.

 

 

 

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제벡 계수가 높은 재료는 열전 발전기의 효율성에 기여하는 많은 요인 중 하나입니다.

 

 

제벡 계수(Seebeck coefficient)의 계산 결과는 다른 요인에 직접적으로 종속됩니다. 실제로 반도체 재료가 n형이면 캐리어는 전자입니다. 이 경우 생성된 전위차는 양수이고 제벡 계수는 음수입니다. 반면에 반도체 재료가 p형이면 전위차는 음수이므로 제벡 계수는 양수가 됩니다.

 

전도성 금속은 재료의 상대적으로 큰 부분을 차지합니다. 이 금속들은 서로 다른 열전 민감도를 가지므로 제벡 계수가 다릅니다.

 

 

 

 

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3. 제벡 효과(Seebeck effect)의 응용

• 일반적으로 제벡 효과는 일반적으로 금속과 같은 두 재료를 결합하여 만든 열전대라는 장치에 사용됩니다.
• 열전퇴에서는 출력 전압을 높이기 위해 여러 열전대가 직렬로 연결됩니다.
• 제벡 효과(Seebeck effect)는 화력 발전의 원인입니다. 움직이는 부품이 없고 유지 보수가 거의 필요 없는 작동이 없습니다.
• 초전도성이 아닌 물질의 온도 차이는 에너지를 제공하는 데 사용할 수 있는 전압을 생성합니다.
• 두 금속 쌍을 사용하여 고온을 측정할 수 있습니다.
• 반도체와 쌍을 이루는 경우 방사선에 매우 민감하므로 방사선 온도계가 내장되어 있습니다.
• 또한 반도체와 쌍을 이루는 것은 고주파 전자기파와 적외선을 효율적으로 감지합니다.