본문내용
1. 열전효과
1.1. 열전효과의 정의
열전효과의 정의는 "열과 전기의 상관관계에 의해 발생하는 현상"이다. 열전효과는 제벡 효과, 펠티에 효과, 톰슨 효과의 세 가지 현상을 포괄적으로 일컫는 용어이다. 제벡 효과는 두 종류의 금속 또는 반도체를 접합하여 온도차를 가하면 전기 기전력이 생성되는 현상이며, 펠티에 효과는 전류를 흘려보냄으로써 한 접합부에서는 발열, 다른 접합부에서는 흡열이 일어나는 현상이다. 톰슨 효과는 도체의 두 끝단에 온도차를 두고 전류를 흘렸을 때 발열 또는 흡열이 일어나는 현상이다. 이처럼 열전효과는 열과 전기의 상관관계에 따라 다양한 현상으로 나타나며, 이는 실생활에서 널리 활용되고 있다.
1.2. 열전효과의 종류
1.2.1. 제벡 효과
제벡 효과는 2종류의 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하여 거기에 온도 차를 주면 회로 열기전력을 일으키는 현상이다. 이 현상은 1821년에 T. Seebeck이 Cu와 Bi 또는 Sb에 대하여 발견했다. 열기전력을 측정하여 온도로 환산하는 열전대식 온도계는 공업적으로도 널리 이용되고 있고, 고온에서 극저온까지 각종 열전대이 개발되어 있다. 온도계측용의 열전대에는 은-금(철 첨가), 크로멜-금(철 첨가), 구리-콘스탄탄, 크로멜-콘스탄탄, 크로멜-알루멜, 백금ㆍ로듐-백금, 텅스텐-텅스텐 레늄 등, 여러 가지가 있다. 한편 반도체는 금속에 비해서 열전능(제벡 계수)이 1000배나 크기 때문에 이것을 사용한 열전기 발전기가 개발되어 극지의 무인관측소나 등대, 해저 비콘용 전원 등에 이용되고 있다."
1.2.2. 펠티에 효과
펠티에 효과는 열전효과의 일종이다. 1834년 프랑스의 J. C. A. 펠티에가 발견한 이 효과는 서로 다른 종류의 도체(금속 또는 반도체)를 접합하여 전류를 흐르게 할 때 접합부에 발열(發熱) 또는 흡열(吸熱)이 일어나는 현상이다.
전류의 방향을 반대로 하면 발열과 흡열의 방향이 반대가 된다. 이는 전류가 운반하는 열량이 물질에 따라 다르기 때문이다. 예를 들어 A, B 두 종류의 도선으로 만든 폐회로에 전류를 흐르게 하면, 한쪽 접합부 a에서 발열이 일어나고 다른 쪽 접합부 b에서 흡열이 일어난다. 즉 b에서 흡수한 열을 a에서 방출한다.
이러한 펠티에 효과는 절대열전능(絕對熱電能)과 다음 식으로 관련된다:
T는 절대온도, A와 B는 각 도체에 관한 양을 나타낸다. 간단히 말하면, 서로 다른 종류의 금속을 접합시킨 뒤 이 접합금속에 전류가 흐르면 한쪽에서는 발열, 한쪽에서는 흡열이 일어난다는 것이다. 이는 금속이 열을 전도하는 능력의 차이로 인해 발생하는 현상이다.
펠티에 효과는 열전 소자(펠티어 소자)에 이용되는데, 이는 전류를 가해주면 한쪽 면은 열을 방출하고 한쪽 면은 열을 흡수하는 원리를 이용한 것이다. 냉장고와 에어컨에 이러한 펠티어 소자가 쓰인다. 또한 정수기에서도 펠티에 효과를 이용하여 냉각부와 발열부를 만들어내는 것이다.
1.2.3. 톰슨 효과
도체(금속 또는 반도체)인 막대기의 양끝을 다른 온도로 유지하고 전류를 흘릴 때 줄열(Joule's heat) 이외에 발열 또는 흡열(吸熱)이 일어나는 현상이 톰슨 효과이다. 열전(熱電)효과의 하나로, 1851년 영국의 물리학자W. 톰슨(켈빈)이 발견했다. 도체 막대기의 양끝의 온도차를 Δ, 전류를 I, 단위시간의 발열량을 Q로 하면, Δ가 작은 범위에서는 Q는 I와 Δ의 곱에 비례하여, Q = σIΔ로 표시된다. 비례상수 σ를 톰슨계수라 한다. 고온 쪽에서 저온 쪽으로 전류를 흘릴 때 발열하는 경우를 양(陽)으로 하며, 전류의 방향을 반대로 하면 발열, 흡열이 반대로 된다. σ는 물질에 따라 다른 물질 상수이고, 온도에 따라서도 다르다. 실온에서 구리·아연 등은 양, 철·백금 등은 음이다. 납의 σ는 거의 제로이므로 열기전력(熱起電力) 측정 때의 기준물질로 삼는다. 톰슨효과는 전류가 열을 나르는데 기인한다. 톰슨계수 σ는 절대열전율 ε과 에 의해 관계지어진다. 이처럼 톰슨 효과는 전류와 온도 차이로 인해 발열 또는 흡열이 발생하는 현상으로, 다양한 분야에서의 응용이 가능하다.
1.3. 열전효과의 이용
1.3.1. 열전 소자(펠티어 소자)
열전 소자(펠티어 소자)는 펠티에 효과의 원리를 이용한 소자이다. 펠티에 효과는 두 종류의 다른 금속 또는 반도체를 접합하고 전류를 흘려주면 한쪽 접합면에서는 열을 방출하고 반대쪽 접합면에서는 열을 흡수하는 현상이다.
이러한 펠티에 효과를 이용하여 제작한 소자가 바로 열전 소자(펠티어 소자)이다. 펠티어 소자에 전원을 넣어주면 한쪽 면은 열을 방출하고 다른 한쪽 면은 열을 흡수하게 된다. 이러한 특성 때문에 펠티어 소자는 일상생활 전기제품에 많이 사용된다.
펠티어 소자의 원리를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다. 두 개의 서로 다른 금속이 2개의 접점을 가지고 있을 때, 이 두 금속 양단에 직류 전압을 가하면 전자가 전위차가 있는 금속으로 이동하기 위해서는 많은 에너지를 필요로 한다. 이 에너지를 빼앗아오면서 한쪽 접합부에서는 열이 방출되고 다른 쪽 접합부에서는 열이 흡수된다. 전류의 방향을 반대로 하면 냉각부와 발열부가 서로 바뀌게 된다.
이러한 펠티어 소자의 특성을 이용하여 냉장고, 에어컨, 정수기, 소형 냉장고, 온열 자동차 시트 등의 다양한 냉온 제품에 사용된다. 특히 냉장고와 에어컨에 있어서 펠티어 소자는 매우 중요한 역할을 한다. 냉장고와 에어컨에 사용되는 압축식 냉동 시스템에 비해 구조가 간단하고 소음이 적으며 유지보수가 용이하다는 장점이 있기 때문이다.
1.3.2. 정수기
정수기는 펠티에 효과를 이용한다. 펠티에 효과는 전류를 흘리면 한쪽은 가열되고 한쪽은 냉각되는 현상을 이용한 것이다. N형과 P형 열전 반도체가 연결된 지점에서 한쪽이 가열되고 다른 한쪽이 냉각되는데, 이를 이용해 정수기의 냉각 및 가열 기능을 구현한다. 즉, 펠티에 효과의 전류를 흘리면 N형과 P형 열전 반도체가 연결된 지점의 한쪽은 가열되고 다른 한쪽은 냉각되는 원리를 이용하여 정수기의 냉온 기능을 구현하는 것이다. 이처럼 펠티에 효과는 정수기 뿐만 아니라 소형 냉장고, 온열 자동차 시트 등 다양한 냉온 제품에 활용되고 있다.
1.3.3. USB 충전기
USB 충전기는 제벡 효과의 원리를 이용하여 전기를 생성한다. 제벡 효과는 두 가지 금속을 연결했을 때 온도 차이로...
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