열전 효과(thermoelectric effect)

[dhleepaul]

열전 효과(thermoelectric effect), 열전 현상이라고도 하며, 제벡 효과(Seebeck effect), 펠티에 효과(Peltier effect), 톰슨 효과(Thomson effect)의 세 가지 열과 전기의 상관현상을 총칭한다.

펠티어-제벡효과(Peltier-Seebeck Effect)

펠티어 효과는 어떤 물체의 양쪽에 전위 차를 발생할 때 전류와 함께 열이 흘러서 양쪽 끝에 온도 차가 생기는 현상, 즉 전류를 흘리면 온도 차가 생겨 한쪽은 가열되고 다른 쪽은 냉각되는 현상이다. 제백 효과는 이와는 반대로 양쪽 끝에 온도 차를 주면 기전력이 생기는 효과이다. 이 두 효과를 묶어서 제베크-펠티어 효과라고 부르고, 열과 전기가 서로 변화되는 효과이므로 열전 효과(thermoelectric effect)라고 부른다.

펠티어 효과는 프랑스의 물리학자 펠티어(J. C. A. Peltier, 1785-1845)가 1834년에 발견하였다.

펠티어 효과는 전류를 흘려 주었을 때 한쪽 끝에서 단위시간 당 발생한(또는 제거된) 열 은 흘려 준 전류에 비례한다고 할 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

Q = (ΠA - ΠB)I

이며, 이 때 ΠA, ΠB는 물질에 의해 결정되는 펠티어 상수, I는 전류, Q는 열량이다.

한편 지벡효과에서는 발생한 기전력은 온도구배에 비례한다고 할 수 있다. 이는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

Eemf = -S∇T

이 때, Eemf는 기전력, S는 지벡상수 ∇T 는 온도구배이다. 또한 펠티어 상수와 지벡상수는 다음의 관계가 있다.

Π = TS

그림. 온도차에 의해 전류가 생성되는 제벡효과(좌측), 전류에 의해 냉방(난방)을 하는 펠티어 효과(우측) (출처 : wikipedia)

톰슨 효과​(Thomson Effect)

동일한 금속에서 부분적인 온도차가 있을 때 전류를 흘리면 발열 또는 흡열이 일어나는 현상을 말한다.

1.부(-) Thomson 효과: 저온에서 고온부로 전류가 흐르는 경우 : 흡열 예) Pt,Ni,Fe

2.정(+) Thomson 효과: 고온에서 저온부로 전류가 흐르는 경우 : 발열 예) Cu,Sb

톰슨효과는 1851년 영국의 Thomson에 의해 발견되었다. 열역학의 제1, 제2, 제3법칙을 사용하면 위의 펠티어 효과, 제벡효과, 톰슨효과 사이에는 다음과 같은 밀접한 관계가 있다는 것이 톰슨에 의해서 명백하게 밝혀졌다.

여기서 K는 톰슨 상수이다.

열전효과의 응용

지벡 효과는 열전 발전기로 많이 사용된다. 열전 발전기는 자동차용 열전발전기, 난로 팬, 체온으로 구동되는 조명과 스마트 워치의 형태로 많이 사용된다. 펠티어 효과는 소형의 모터와 냉매 등을 쓰지 않는 냉장고를 만드는 데 사용된다. 특히 실험실에서 중합효소 연쇄 반응에 의해 DNA를 증폭시키는데 사용되는 장치들은 작은 공간에 많은 열전대를 설치하여 일부만 가열 혹은 냉각 시킬 수 있다. 특히 컴퓨터에서 CPU로 냉각장치 등으로 펠티어 소자에 의한 냉각장치가 광범위하게 사용된다.

지벡효과를 사용하는 또 다른 대표적인 예는 열전대이다. 열전대는 두 물체(금속선) 사이의 온도 차이가 전류를 발생시키는 것을 이용하여 정밀하게 온도를 측정할 수 있다.

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