物理物理学・力学理科

熱が電気に変換される?不思議な「ゼーベック効果」を理系学生ライターがわかりやすく解説!

よぉ、桜木建二だ。今回は「ゼーベック効果」について解説していくぞ。

「ゼーベック効果」は、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される物理現象の一つで、様々な技術に応用されているぞ。これらの技術によって、省エネルギー化に不可欠な排熱利用を、従来よりも簡単に行うことができるようになるはずだ。ぜひこの記事を読んで、「ゼーベック効果」にについての理解を深めてくれ。

エネルギー工学、環境工学を専攻している理系学生ライターの通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。エネルギー工学、環境工学を専攻している。これらの学問への興味は人一倍強い。中学時代に、DIYで太陽光発電装置を製作するために、独学で電気工事士第二種という資格を取得してしまうほど熱い思いがある。

ゼーベック効果とは?

ゼーベック効果とは?

image by Study-Z編集部

ゼーベック効果は、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される現象の1つです。異なる種類の金属もしくは半導体を利用して、エネルギー変換が行われますよ。

図のように、2つの異なる種類の金属または半導体が輪になるように端点を接続し、両接点に温度差をつけます。このとき、金属または半導体には、わずかですが電流が流れるのです。この回路に抵抗負荷を接続した場合、電気エネルギーによって抵抗負荷を動作させることができます。

また、ゼーベック効果によって生じる電気エネルギーの大きさは、使用する金属または半導体の組み合わせや接点の温度差の大小によって、決定されますよ

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異なる種類の金属や半導体の両端を接合して、温度差をつけると電流が流れるとは驚きだ。

ゼーベック効果が起こる理由

ゼーベック効果が起こる理由

image by Study-Z編集部

ここでは、なぜゼーベック効果が起きるのかを考えてみましょう。金属には自由電子、半導体には正孔(ホール)などの電流の担い手となるものが含まれていますよね。これらは、金属や半導体の中を動き回っていますよ

自由電子や正孔(ホール)は、温度が高くなればなるほど、運動エネルギーが大きくなります。ですから、金属や半導体に温度差をつけると、自由電子や正孔(ホール)の動きが活発な部分と活発ではない部分ができるのです。つまり、高温部分では自由電子や正孔(ホール)は拡散や強い振動を起こします。このことは、温度差によって、自由電子や正孔(ホール)の密度差があらわれると言い換えることができますね。

自由電子や正孔(ホール)の密度差は、金属内部や半導体内部の電荷のバランスを崩すことになります。電荷のバランスが崩れると、金属や半導体に電位差(電圧)が生じるのです。電位差(電圧)の大きさは、金属や半導体の種類に依存します。

ですから、異なる2種類の金属や半導体に生じる電位差(電圧)は異なることがわかりますね。当然ながら、異なる電位差をもつもの同士をつないで回路をつくると、電流が流れます。これが、ゼーベック効果のメカニズムなのです。

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自由電子や正孔(ホール)のように電流の担い手になるものをキャリアと呼ぶぞ。

ゼーベック効果を利用したもの

\次のページで「熱電変換モジュール」を解説!/

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