理解熱電シーベック係数

熱電ゼーベック係数

熱電材料について考えるとき、ゼーベック係数はパズルの重要なピースです。しかし、この係数とは一体何であり、なぜ重要なのでしょうか。魅力的なレンズを通して熱電現象の世界に飛び込んでみましょう。

ゼーベック係数は通常 S と表記され、その材料全体の温度差に応じて誘導される熱電電圧の大きさを測定します。これは次の式で定義されます:

式:S = V / ΔT

ここで:

結果の S は、通常、摂氏 (µV/°C) あたりのマイクロボルトまたはケルビン (µV/K) あたりのマイクロボルトで表されます。

ゼーベック係数は、熱エネルギーと電気エネルギー間の変換効率を表します。式の各部分が果たす役割は次のとおりです:

誘導電圧 (V): この電圧は、材料全体に温度勾配があるときに電荷キャリア (電子または正孔) が移動することによって生成されます。この電圧を測定することは、熱励起の電気的発現を捉えることに似ています。
温度差 (ΔT): 材料の両端の温度差は、電荷キャリアの移動の原動力として機能します。 ΔT が大きいほど、電圧を誘導する可能性が高くなります。

この 2 つのパラメータの比率から、ゼーベック係数が得られます。これは、材料内で熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効率の尺度です。

熱電材料は、ゼーベック効果を最適化するように構成されており、さまざまな実際の用途で基本的なコンポーネントです。

熱電発電機 (TEG): TEG は、工業プロセス、自動車、さらには宇宙ミッションからの廃熱を利用して、この熱を直接電気に変換し、エネルギーの節約と持続可能性に貢献します。
温度センサー: 熱電対などのデバイスは、ゼーベック効果を利用して温度変化を高精度で測定します。
冷却デバイス: ゼーベック効果と密接に関連するペルチェ効果を使用して、特定の材料で物体や物質を冷却できます。

与えられたシナリオのゼーベック係数を計算してみましょう:

20 マイクロボルト (20 µV) の誘導電圧と 5 度 (5 °C) の温度差を持つ熱電材料があるとします。

ゼーベックの式 S = V / ΔT を使用すると:

S = 20 µV / 5 °C = 4 µV/°C

したがって、この場合のゼーベック係数は 1 度あたり 4 マイクロボルトです。

ゼーベック係数を扱う場合、特定の検証によって計算が意味を持ち正確であることが保証されます:

ビスマステルル化物 (Bi2Te3)、鉛テルル化物 (PbTe)、シリコンゲルマニウム (SiGe) 合金などの材料は、ゼーベック係数が高いことで知られており、熱電用途に最適です。

はい、ゼーベック係数は、電荷キャリアが正 (ホール) か負 (電子) かに応じて、正または負になります。p 型材料のゼーベック係数は正で、n 型材料は負の値です。

温度の変化はゼーベック係数に影響を及ぼす可能性があります。一般的に、係数は温度の上昇とともに増加しますが、正確な関係は材料の特性によって異なります。

ゼーベック係数は、熱電の分野では魅力的で不可欠なパラメータであり、温度差を直接電圧に変換できます。産業廃熱の回収から正確な温度検知まで、ゼーベック係数は、現代の技術における熱現象と電気現象の印象的な相互作用を強調しています。

誘導電圧:
温度差: