제백효과 및 펠티어효과

[Xnei]

성능이 좋은 쿨러를 찾다보니 펠티어 소자를 이용한 쿨러도 보게되었는데,

전기를 많이 소모한다고 해서 그냥 지나쳤던 기억이 있었습니다. ㅡ_ㅡ; 

네이버에서 적당히 검색하니까 이것에 대한 실험이 나오는군요. 이론적인 설명도 있으니 읽어보세요

1)제백효과(seebeck effect): 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 접속한 2점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하여 전류를 흘리는 현상이다.(ΔT→E)

그렇다면 이 실험에서의 제백효과에 대해서 알아보기로하자.

열전기변환기는 열에너지를 fan을 돌릴 수 있는 전기에너지로 변환하기 위해 전기 전자의 종류를 사용한다. 각각의 전지는 반도체이다.

실험시 열은 전자안으로 들어가서 전자의 에너지 수준을 높인다. 전자가 고 에너지 상태가 되면 결정내에서 정공을 남기고 자유롭게 이동한다. 저 에너지 전자는 자유롭게 이동할 수는 없으나 정공사이를 뛸 수 있다. 이런 식으로 정공 또한 반도체 물질을 통해 이동할 수 있다. 전자는 N형 반도체 물질을 통해서 이동하고, 정공은 P형을 통해 이동한다.

(N형과 P형은 실리콘결정에, 전자와 정공의 이동을 쉽게 하는 즉, 전기전도성을 증가하게 하기 위해 특별한 불순물 첨가한 도핑처리된 물질이다.)

외부회로로 흐르는 전자는 fan모터를 가동하고, 회로 끝에서 나오는 전자는 다시 전지로 들어가 P형 반도체안의 정공을 채운다. 이 현상은 찬 부분끝에서 일어난다. 전자가 정공을 채우면서 약간의 초과된 에너지는 포기하고 열은 유지한다. 온도차가 있을때는 전자와 정공의 계속된 이동으로 양전극이 유지되고 fan은 계속 회전하다. 그러나 온도차가 없으면 과잉 에너지를 포기할 장소가 없어서 전자와 정공의 결합은 없다. 이로써 열전기 전지는 열역학 제2법칙이 성립한다.

고온부에서 많은 전자가 충만대에서 전도대로 이동되고 저온부쪽으로 확산된다. 이에 따라 상대적으로 고온부에서 저온부쪽으로 향하는 전기장이 생기므로 반도체 내부의 에너지준위가 경사를 이루고 양측 금속의 페르미 준위사이에 온도차가 생겨 고온부가 양전위의 열기전력이 생긴다.

2)펠티어효과(peltier effect): 금속, 반도체를 접속한 두 점사이에 폐로를 구성, 전류를 흘리면 한쪽은 열이 발생하고 다른쪽은 열을 흡수하는 현상이다.(E→ΔT)

이실험에서의 펠티어효과에 대해서 알아보자.
 

실험시, 전자와 정공이 N형 또는 P형반도체의 한쪽끝에서 다른쪽로 이동하면서 전위차를 발생시킨다. N형반도체의 전지는 반도체끝부분의 내부에너지와 함께 이동해 그 결과 반도체가 차가워진다. P형반도체의 경우는 정공이동시에도 같다. 일반적으로 이 효과에 의하여 단위시간에는 두 종류의 금속 A,B의 접점에서 발생 또는 흡수되는 열량Q는 전류의 세기 I 에 비례한다. I/Q는 두 금속의 종류에 따라 정해진 값을 가지며, A와B의 조합에 따른 펠티어계수 I/Q는 열전력, 절대온도에 비례한다. 펠티어효과는 전자를 작업물질로 하는 열펌프효과로 간주되며, 보통 이극형 반도체 조합했을 때 생기는 냉각효과를 이용한다.

3)열역학 제 2법칙: 자연계에서 일어나는 현상들의 방향을 설명해 주는 법칙을 말한다. 자연계에서의 모든 현상은 질서있고 체계적인 상태가 감소하는 방향, 즉 무질서도(엔트로피)가 증가하는 방향으로 일어난다. 고온에서 저온으로만 흐르며, 고립된계의 비가역변화는 무질서도과 증가하는 방향으로 일어나고 마지막으로 순환과정을 통해 열을 전부 일로 바꿀수는 없다.

4)기타

?N형반도체: 4가인 게르마늄과 실리콘의 결정에 극소량의 5가원소를 첨가하면 공유결합을    형성하고 1개는 자유전자가 되어 결정내에서 쉽게 움직인다. 이와같이 자유전자가 여분으    로 존재하는 Negative전자가 캐리어가 되므로 N형 반도체라 부른다.

?P형반도체: 4족 원소인 규소, 게르마늄결정에 실리콘이나 게르마늄에 인듐, 알루미늄 등의    3가원소를 소량첨가하면 결합시 전자하나가 부족해서 정공이 생긴다. 이렇게 되면 전기전도성이 커져서 양의 전하운반체를 가진다. 여기서 캐리어는 Positive이 정공이므로 P형

  반도체라고 한다.

?도핑: 반도체의 전도도에 변화를 주기 위해 불순물을 첨가하는 것

[_TaOisM_]

음,, 그러니까 열에 의해 자유전자가 저온으로 이동하는 것이 전류가 된 것이군요..! 그런데 펠티어 효과의 경우는 한쪽에서는 열이 흡수가 되네요..? 그건 어떻게 된거죠?

[Xnei]

전자가 내부에너지를 가지고 다른 금속으로 전달을 합니다. =_=;