ゼーベック効果とは？意味をやさしく解説

ゼーベック効果：温度差から生まれる電圧

ゼーベック効果は、物体の温度差が直接電圧に変換される現象です。これは熱電効果の一種であり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する仕組みとして知られています。逆の現象として、電圧を温度差に変換するペルティエ効果も存在します。これらに加え、トムソン効果やジュール熱といった類似の現象も存在しますが、ゼーベック効果とペルティエ効果は可逆的な過程であるのに対し、ジュール熱は不可逆的です。トムソン効果もゼーベック効果やペルティエ効果とは異なる性質を持っています。

ゼーベック効果の発見

ゼーベック効果は1821年、エストニアの物理学者トーマス・ゼーベックによって偶然発見されました。ゼーベックは、金属棒に温度勾配を与えると両端間に電圧が発生することに気づきました。さらに、異なる2種類の金属でループを作り、接点に温度差を設けると、近くに置いた方位磁針の針が振れることを発見しました。これは、温度差に対する金属の異なる反応によってループに電流が流れ、磁場が発生したためです。

ゼーベック効果の原理

異なる[金属]]または半[[導体]]の接合部に温度差が生じると、電圧が発生します。この電圧は温度差1Kあたり数μV程度の小さな値です。発生する電圧は、金属Aと金属Bのゼーベック[[係数]と、2つの接点の[温度]によって決定されます。

ゼーベック係数は、導体の温度、材質、分子構造に依存する非線形な係数です。温度範囲が狭い場合は一定とみなせるため、電圧は温度差に比例すると近似できます。この原理を利用した熱電対は、温度差の直接測定や、一方の温度を既知としてもう一方の絶対温度を測定するのに用いられています。

ゼーベック効果は、主に2つの効果によって引き起こされます。1つは荷電粒子の拡散、もう1つはフォノンドラッグ効果です。

ゼーベック係数

ゼーベック係数は、熱電対の電位差と温度勾配の関係を表す重要なパラメータです。2点間の温度差が小さい場合、電位差ΔVと温度勾配∇Tを用いて次のように定義されます。超伝導体のゼーベック係数は0であるため、これと他の物質を組み合わせた熱電対を用いることで、対象物質のゼーベック係数を直接測定できます。半[[導体]]では、ゼーベック係数の符号によってキャリア（電子または正孔）の種類を判断できます。

荷電粒子の拡散

物質中のキャリア（電子、正孔、イオンなど）は常に移動しており、高温部から低温部へ拡散しようとします。しかし、格子振動（フォノン）による散乱の影響で、キャリアの移動度が低下します。高温部と低温部のキャリアの拡散速度に不均衡が生じるため、電位差が発生します。

フォノン・ドラッグ効果

フォノンは局所的な熱平衡状態に常にないため、温度勾配があるとそれに従って運動します。この過程で電子などのキャリアとの相互作用や格子欠陥の影響を受け、運動量を失います。フォノン－電子相互作用が優勢な場合、フォノンは電子を物体の端から端まで押し動かし、既存の熱電場をさらに強めます。この効果は、デバイ温度付近の温度領域で顕著になります。

まとめ

ゼーベック効果は、温度差を電圧に変換する重要な熱電現象です。その原理は、荷電粒子の拡散とフォノンドラッグ効果に基づいており、熱電対などの様々な応用が可能です。ゼーベック係数は、材料の特性を反映する重要なパラメータであり、物質の性質を理解する上で役立ちます。ゼーベック効果は、エネルギー変換技術や温度センシング技術など、幅広い分野で活用されています。

ゼーベック効果