熱電効果

熱電効果：熱エネルギーと電気エネルギーの相互作用

熱電効果とは、金属や半導体などの電気伝導体において、熱流の熱エネルギーと電流の電気エネルギーが相互に影響し合う現象の総称です。ジュール熱とは異なる物理現象であり、温度差や電流によって熱の発生や吸収、電圧の変化といった現象が観測されます。

熱電効果の3つの種類

熱電効果には、主に以下の3つの効果が知られています。それぞれ発見者の名前にちなんで命名されています。

1. ゼーベック効果: 物質の温度差によって電圧が発生する現象です。1821年、トーマス・ゼーベックによって発見されました。異なる種類の金属を接合し、接合部間に温度差を与えると、電位差が生じ、閉回路に電流が流れます。この電圧は温度差に比例し、その比例係数をゼーベック係数と呼びます。ゼーベック効果は熱電発電の基礎原理となっています。

2. ペルティエ効果: 異なる種類の金属を接合し、電流を流すと、接合部で熱の吸収または放出が起こる現象です。1834年、ジャン＝シャルル・ペルティエによって発見されました。電流の方向によって、接合部が冷却されたり加熱されたりします。この熱の吸収または放出量は、電流とペルティエ係数で決まります。ペルティエ効果は熱電冷却デバイスの基礎原理となっています。

3. トムソン効果: 金属内部で温度差のある2点間に電流を流すと、熱の吸収または放出が起こる現象です。1854年、ウィリアム・トムソン（ケルビン卿）によって発見されました。電流の方向と温度勾配の向きによって、熱の吸収または放出が決まります。トムソン効果は、ゼーベック効果やペルティエ効果と密接に関連しています。

トムソンの熱電対関係式

ゼーベック効果、ペルティエ効果、トムソン効果は、それぞれゼーベック係数 (S)、ペルティエ係数 (Π)、トムソン係数 (μ) で特徴付けられます。これらの係数間には、トムソンの熱電対関係式（またはケルビンの関係式）と呼ばれる以下の関係式が成り立ちます。

S = Π/T
μ = -T(dS/dT)

ここで、Tは絶対温度です。この関係式は、熱力学の法則に基づいて導出され、オンサーガーの相反定理の一例として理解できます。

熱電効果の応用

熱電効果は、様々な応用技術の基礎となっています。

熱電発電: ゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する技術です。廃熱の利用や、宇宙探査機などの電源として利用されています。

熱電冷却: ペルティエ効果を利用して、電気を供給することで冷却を行う技術です。小型冷蔵庫や、電子機器の冷却などに利用されています。

熱電効果は、エネルギー変換技術や電子デバイス分野において、重要な役割を果たしています。今後も、より効率的な熱電変換材料の開発や、新たな応用技術の開発が期待されています。

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