ゼーベック効果

ゼーベック効果とは、導体の一方の端と他方の端で温度が異なる場合に、その両端間に電圧が発生する現象です。この現象は、19世紀初頭にドイツの物理学者トーマス・ヨハン・ゼーベックによって初めて説明されたことから、彼の名前にちなんで命名されました。

ゼーベック効果を定義すると？

ゼーベック効果は、電子などの荷電キャリアが導体中を移動することで熱が発生することに基づいています。導体に温度差が与えられたとき、高温側の荷電キャリアは低温側のものよりも運動エネルギーが多くなり、結果として荷電キャリアが高温側から低温側へと流れます。この荷電キャリアの流れにより、導体の両端間に電圧が発生し、ボルトメーターを使用して測定することができます。

ゼーベック効果によって発生する電圧の大きさは、導体の両端間の温度差と導体自体の性質に比例します。異なる材料には異なるゼーベック係数があり、これは単位温度差あたりに発生する電圧を表します。

ゼーベック効果は、熱を電気に変換する熱電発電装置の動作原理の基礎となっています。これらの装置は、ゼーベック効果を利用して導体に電圧を発生させ、その電圧を利用して外部負荷（例えば電球やバッテリー）を通じて電流を駆動します。

ゼーベック係数：

ゼーベック係数は、導体の2点間に1ケルビンの温度差を維持したときに発生する電圧を示します。室温では、銅とコンスタンタンの組み合わせはケルビンあたり41マイクロボルトのゼーベック係数を持っています。

S = ΔV/ΔT = (Vcold − Vhot)/(Thot-Tcold)

ここで、

• ΔVは、材料に小さな温度変化（ΔT）を導入することで得られる電圧差を示します。

• ΔVは、低温側の電圧から高温側の電圧を引いたものです。

VcoldとVhotの差が負の場合、ゼーベック係数は負となります。

ΔTが小さいと考えられる場合。

したがって、ゼーベック係数は温度に対する生成電圧の1次導関数として定義できます。

S = d V /d T

スピン・ゼーベック効果：

しかし、2008年に磁性金属に熱を加えると、その電子はスピンに応じて再配置されることが発見されました。しかしこの再配置は熱の生成には寄与しませんでした。これがスピン・ゼーベック効果であり、この効果は高速かつ効率的なマイクロスイッチの開発に利用されました。

なぜゼーベック係数は温度上昇とともに増加するのか？

温度が上昇すると電気伝導度が増加し、半導体特性を示します。CuAlO2の高いゼーベック係数と低い電気伝導度は、チャージホールの高い有効質量によるものです。

どのセンサーがゼーベック効果を検出するか？

熱電対は、2つの異なる金属接合部を接続した電気機器です。温度センサーとして使用されます。これはゼーベック効果の原理に基づいて動作します。

ゼーベック効果の応用：

• 熱電発電装置は、遠隔地やオフグリッドの場所での発電、廃熱回収、温度センシングなど、多くの潜在的な応用があります。特に他の形式の発電が実用的でない場合、例えば宇宙船や燃料へのアクセスが制限されている遠隔地で有用です。

• このゼーベック効果は、温度変化の測定やシステムのオンオフを切り替えるための電気スイッチのアクティベーションに頻繁に使用されます。一般的に使用される熱電対の金属組み合わせには、コンスタンタン/銅、コンスタンタン/鉄、コンスタンタン/クロム、およびコンスタンタンがあります。

• ゼーベック効果は、熱エンジンとして機能する熱電発電装置にも使用されます。

• これらはまた、いくつかの発電所で廃熱を追加の電力に変換するためにも使用されています。

• 熱電発電装置以外にも、ペルチェ効果やトンソン効果などの関連現象と共に、熱計測学や熱物理学などの分野で多くの応用があります。また、熱電材料やデバイスの研究にも使用されています。

ゼーベック効果の制限：

熱電発電装置の欠点の一つは、効率が非常に低いことです。熱電発電装置の効率は通常、その装置が熱を電気に変換する能力を測る指標である優れた値によって測定されます。ほとんどの熱電発電装置は優れた値が1未満であり、吸収した熱の1%未満を電気に変換しています。この低効率は熱電発電装置の実用的な応用を制限しますが、研究者は将来効率を向上させる新しい材料や設計を開発するための努力を続けています。

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