열전현상: 제벡·펠티에·톰슨 효과

열전현상 개요

열전현상은 서로 다른 도체의 접합부나 도체 내부에서 열과 전기 에너지가 바뀌는 현상이다.

열전현상은 제벡, 펠티에, 톰슨 효과를 묶은 이름이다.

세 효과는 모두 재료의 제벡 계수 하나로 설명된다.

제벡 효과

제벡 효과는 온도차가 전기 신호로 바뀌는 효과다. 1821년 제벡이 발견했다.

두 접점에 온도차를 주면 회로에 열기전력이 생긴다. 개방 상태에서 dV = S dT 로 쓴다.

여기서 S는 제벡 계수이며 단위는 V/K다. 온도차가 없으면 기전력도 없다.

펠티에 효과

펠티에 효과는 전류가 흐를 때 접합부에서 열이 흡수되거나 방출되는 효과다.

전류 방향에 따라 흡열과 발열이 바뀐다. 접합부의 열량은 Q = Π I 로 쓴다.

펠티에 계수 Π는 절대온도 T와 제벡 계수 S의 곱으로, Π = TS 이다.

톰슨 효과

톰슨 효과는 온도 구배가 있는 단일 도체에 전류가 흐를 때 생기는 열이다.

접합부가 없는 재료 하나에서도 일어난다. 전류나 온도 구배 중 하나라도 없으면 생기지 않는다.

톰슨(켈빈 경)이 제시했으며 단위 길이당 열량은 μ I dT/dx 로 쓴다.

세 효과 비교

세 효과는 입력과 출력의 방향에 따라 구분한다.

켈빈의 관계식에 따르면 세 효과는 제벡 계수 하나로 설명된다.

제1관계식은 Π = TS 이고, 제2관계식은 톰슨 계수와 제벡 계수의 온도 의존성을 잇는다.

열전대 측온과 기준접점

열전대는 열기전력을 재서 온도로 환산하는 측정 소자다.

열기전력은 두 접점의 온도차와 금속 조합으로 정해지며, 선의 굵기나 길이와는 무관하다.

그래서 기준접점 온도를 알아야 측온접점 온도를 구할 수 있다.

기준접점 온도 보정을 빠뜨리는 것이 흔한 실수다.

정리

앞에서 푼 문제의 정답은 0이다.

제벡 효과는 온도차가 없으면 기전력도 생기지 않는다.

세 효과는 제벡 계수 하나로 결정되는 한 현상의 다른 모습이다.