トーマス・ゼーベックと熱電効果

熱については、100万年前に私たちの祖先であるホモ・エレクトスが生き残るための道具として火を利用したことを示す証拠があります。今日、私たちは冬の夜を暖めたいときに熱を指します。起動するには、熱電対が人類に不可欠です。地球上で最も広く使用されている温度センサーとして、それを操作するために私たちが毎日使用するツールと同じくらい不可欠です。考えてみてください。サーモスタット、オーブン、スチームケトルについて話しています。そして、それは初心者向けです。

確かに、熱電対は消費者や一般のアメリカ人の目に留まらないかもしれません。しかし、地球上で最も高温の物質の温度を取得することについて話す場合は、火山の内部の温度を言います (1,250°Cまたは2,200°F)、熱電対を最大限に活用しないと、非常に厳しい状況に陥ることになります。

簡単に言うと、他の温度センサーは故障します。 1つは、お母さんが熱を出す水銀温度計は、熱い溶岩に直面すると必ず消滅します。内部の水銀はガスに変わります。科学がそれを持っているように、水銀は火山の荒れ狂う温度の途中でさえも、わずか674°F(356°C)で沸騰します。同じことが氷点下の温度にも当てはまります。あなたの水銀温度計は固く凍り、不足します。

したがって、熱電対のメリットを検討することは、私たちに良い入札をするはずです。何がそれを動かしているのかを知ることで、必要なだけ効果的に使用できるようになります。最終的には、トーマス・ヨハン・ゼーベック(1770〜1831)の作品にぶつかります。バルトドイツの科学者は、熱電効果を発見することで、最も広く使用されている温度センサーである熱電対を世界に紹介しました。その過程でより住みやすい惑星になります。

パズル:電気対熱

何世紀にもわたって、電気の概念は自然な方法で私たちに導入されました。私たちが電気の働きについて正式な知識を得るずっと前に、古代エジプト人(西暦前2750年)は電気魚がもたらす衝撃に畏敬の念を抱き、魚を「ナイル川の雷鳴者」と呼んでいました。数千年後の今日、私たちは電気について多くのことを学び、それを使って家に電力を供給してきました。

熱については、100万年前に私たちの祖先であるホモ・エレクトスが生き残るための道具として火を利用したことを示す証拠があります。今日、私たちは冬の夜を暖めたいときに熱を指します。

明確に確立されていなかったのは、熱と電気という2つの直接的な関係でした。しかし、亀裂から浸透する手がかりは、私たちを互いに接続するように導くようです。一つには、科学には伝導があります。そこでしばらくの間、熱と電気の両方の伝播を指すために伝導という用語を使用していました。

そして、両方の科学的現象にうまく機能する材料があることさえわかります。リストの一番上は金属です。鉄は、例えば、電気と熱の両方によく伝導します。一方、プラスチックはそうではありません。

確かに、これは2つの要素間の関係の明らかな兆候である可能性があります。科学的研究は、金属がどのように熱と電気を伝導するかとの間に関連性がなければならないことを私たちに教えてくれるはずです。

注目すべきは、電気は電子、つまり原子内の超小型荷電粒子の後ろに乗っているということです。そのため、材料を介して電気を運ぶ電子は次のようになります。葉を運ぶアリの軍隊 彼らのコロニーに。同様に、電気とピギーバック熱を伝導できる電子。金属が電気伝導率と熱伝導率の両方を示すのは偶然ではありません。

トーマス・ゼーベック:点をつなぐ

長い金属棒を一本持って、もう一方の端に火をつけてみましたか?最初、あなたの手は熱を感じません。ただし、時間の経過とともに、熱が上向きに移動するため、ロッドを放す必要があります。あなたが知らないのは、電気がそのすべての熱とともにあなたの手に伝わるということです。

そのような熱電気現象を観察した最初の科学者は Alessandro Volta 1794年。イタリアの電気のパイオニアであるVolta(1745-1827)は、天然ガスの主成分である常に有用なメタンガスの発見者は言うまでもなく、電池の発明者です。電気量ボルトと名付けられた物理学者は、2つの異なる金属がカエルの足と直列に接続されたときに「動物の電気」が生成されることに気づきました。そして、この実験から、世界初の電池と直流電源が誕生しました。

しかし、熱電効果は、1821年にバルトドイツの物理学者によって詳細に再発見されました。 Thomas Johann Seebeck. 次に、Seebeckは、両端で結合された2つの異なる金属で作られた閉ループに温度差が適用されると、コンパスの針が動くことを観察しました。当初、Seebeckは、生成された磁場に関連して、この現象を「熱電効果」と呼んでいました。このような名前の見落としは、デンマークの物理学者によって「熱電効果」に修正されました Hans Christian Ørsted (1777-1851)、電流が磁場を生成することを確立した科学者。

Hot and Cold Junction

図A。

本質的に、熱電対のコンポーネントは、両端で結合された2つの異なる金属(2つの曲線)です。高温の何か(測定対象)が高温の接合部に置かれ、もう一方の端が低温の何か(低温の接合部)に置かれると、電圧が発生します。電圧計はこの電気的差異を測定します。

 

やがて、熱電現象はゼーベック効果と呼ばれるでしょう。そして、彼が実験を進めるにつれて、Seebeckはより驚くべき発見を発見しました。彼は、電流が流れる特定の状況があることに気づきました。

まず、金属の両端を接続しても電流は発生せず、電圧計はノッチを動かしません。第二に、2つの金属の端が同じ温度である場合、電流は流れませんでした。

他の金属を使ったさらなる実験で、ドイツの科学者は、異なる金属材料が異なる量の電気を生成することに気づきました。今日、この電気的設定は、ループを作成するためにそれらの端で一緒に結合された同じ長さの別個の金属の2つのストリップを使用するように変更されました。電気を生成するには、一方の端を高温の表面(温水など)に浸し、もう一方の端を冷たいものに浸す必要があります。電流の流れを測定するには、ミリ電圧計を使用できます。

詳細については、上の図Aを確認してください。

熱電対がどのように機能するかを理解するには、変数に注意する必要があります。すぐに、電気の量は2つのことに依存します。

- 温度差(2つの接合部間)

- 使用する金属の種類

Voltaは、2つの異なる金属(バッテリー)間で電気を生成するためにカエルの脚を必要としないと正しく推測しました。同様に、金属接合なしでゼーベック効果を得ることができることを知ってください。熱電対を実際に使用するには、金属接合が必要です。

ゼーベック効果はどのように実現しますか?

Heating of Metal

図B.金属の一方の端を加熱する(火)と、より冷たい端が負に帯電します。

開始時に、ゼーベック効果で頭を包み込むのは難しいかもしれません。私たちは、それらが別々の形のエネルギーであるという伝統的な概念を持っています。電荷の流れと見なされる電気と、激しく振動する分子の動きとしての熱は、2つの異なるエンティティです。確かに、訓練の学校(熱力学、電気など)によって制限されている多くの伝統的な専門家は、2つの間の関係を理解できず、その過程で近視眼的になる可能性があります。彼らはそれぞれを互いに独立していると定義しています。

もちろん、科学はプロセスです。前述のように、トーマス・ゼーベック自身が電流を見ることができませんでした 

熱電効果に関与します。ドイツの科学者は、この現象は「熱磁気効果」と呼ばれる熱によって生成される磁場に関係していると考えました。しかし、彼のデンマークの現代科学者(物理学者および化学者)のハンス・クリスチャン・オルストは、物事を正すために介入しました。

実際、金属で発生する熱伝導と電気伝導の間には否定できない関連性があります。これらの2つの現象が材料で発生するのは偶然ではありません。物質が加熱されると、その分子が励起されます。振動します。熱を音楽、分子の動きをダンスと考えてください。熱が熱くなるほど、音楽のビートが速くなるにつれて分子が速く踊ります。そのすべての動きにより、分子が近くの分子にぶつかり、金属の一方の端からもう一方の端にエネルギーが移動します。

これが起こると、原子の負に帯電した粒子である電子が広がります。ここで、金属の一方の端に当たると、そこで電子が拡散し、より冷たい端に向かって流れます。熱が多いほど、電子の移動が大きくなります。このプロセスでは、ロッドの高温側が正に帯電し、低温側が負に帯電することで電気が生成されます。つまり、ゼーベック効果が誘発されます。

熱電対はどうですか?閉ループを形成する2つの異なる金属は、どのようにしてゼーベック効果を生み出しますか?同じアプリケーションですか?

手始めに、熱電対のセットアップで、2つの優れた電気導体である金属合金を使用しています。つまり、これらの合金は熱と電気の両方をうまく伝導し、ゼーベック効果を生み出すための要件です。プラスチックなどの絶縁体を使用しても、電子は自由に動き回ることができないため、切断されません。要するに、彼らは電気と熱の悪い導体です。

第二に、熱電対のもう1つの要件は、ループを形成するために2つの異なる金属を使用する必要があることです。平均は両方とも異なる熱伝導率レベルを持っています。したがって、銅の棒と鉄の棒を組み合わせると、電子は鉄から銅に流れます。

しかし、2つの接合部を持つ閉ループで鉄と銅を結合すると、生成された電圧は互いに打ち消し合います。接合部の一方の端は正の電圧を生成し、もう一方の端は同等の負の電圧を生成します。

ただし、一方の接合部がもう一方の接合部よりも熱くなると、この高温側の電子がより速く拡散します。その結果、2つの接合部の間に電圧差が生じます。その量は、2つの接合部間の温度差に依存します。これが、ゼーベック効果が熱電対に適用される方法です。

キャリブレーション:熱電対を正しく開始する

熱電対の電圧出力は非常に小さいです。ミリボルト単位です。電圧がどれだけ上昇したかによって、温度がどれだけ上昇したかがわかります。ただし、温度が変化するたびに、電圧がどの程度変化するかを知る必要があります。このプロセスはキャリブレーションと呼ばれます。

効率的に使用するには、各熱電対を校正する必要があることに注意してください。使用する金属合金によってそれぞれの特性が異なるため、信頼できる結果を得るには、デューデリジェンスを遵守する必要があります。そのため、熱電対の電圧-温度曲線または変化率をプロットする必要があります。

校正するには、特定の金属接合の作業式を理解する必要があります。温度計の目盛りをマークするものと考えてください。熱電対を校正して初めて、熱電対を使用して任意の温度を測定できます。

サーモバスコンテナを使用してこれを行います。水を入れて電源を入れます。次に、この水を30℃に加熱します。次に、マルチメータの2本のリード線を熱電対の一方の端に接続します。結果として得られる電圧の読み取り値は1マイクロボルトになります。

次に、熱電対の1つの接合部を取り、それを熱浴に配置します。安定させます。これは、マルチメータの電圧が変動しなくなったときに発生します。得られた電圧を記録します。

サーモバスの温度を5°Cに上げて、結果の電圧を記録に残します。プロセスを続行し、温度を5°C上げて記録します。 60°Cに達するまで。

その後、室温に注意してください。室温での熱電対タイプの電圧チャートを参照してください。たとえば、タイプKは25°Cの室温で1ミリボルトを読み取る必要があることに注意してください。

カーブフィッティング法を使用して、取得したデータに最適なラインに焦点を合わせます。結果として得られる勾配は、対応する各温度上昇の電圧上昇を決定する際のガイドとなるはずです。たとえば、タイプKの熱電対の場合、通常、測定温度の摂氏変化1度あたり40マイクロボルトです。

実際のアプリケーションで熱電対をどのように適用しますか?

 

Thermocouple Circuit Diagram

図C。

熱電対製品のサンプルと回路図。

実際の使用では、熱電対の1つの接合部、つまり材料の未知の温度を測定する先端のみに対応します。これは、市販の熱電対に特に当てはまります。熱電対回路(上記を確認)によって生成される電圧は、ミリボルト単位で非常に小さいことに注意してください。したがって、電子電圧増幅器を使用してこの電圧を拡大し、より良い測定を可能にします。

すべての熱電対が同じであるとは限らないことを知ってください。異なる金属合金は異なる融点と特性を持っているので、ユニークな金属合金の組み合わせは異なる振る舞いをすることになります。時間の経過とともに、異なる金属合金の組み合わせが文字の種類によって割り当てられてきました。したがって、どの特定のタイプの熱電対がアプリケーションに最適であるかを自分で確認することが最も重要です。

熱電対に使用される最も一般的な金属には、アルミニウム、クロム、銅、鉄、ニッケル、ロジウムなどがあります。多くの場合、特定の温度範囲での正確な動作のために、特定のタイプが選択されます。

熱電対の種類と性能表

タイプ

脚の構成

温度範囲(°F)

特殊性

B

プラチナ30%ロジウム/


プラチナ6%ロジウム

2500から3100まで

低電気出力;低温には適していません

E

ニッケルクロム/


コンスタンタン

32から1600まで

Kタイプよりも安定しており、精度が高い

J

鉄/コンスタンタン

32から1400まで

広く使われています;最も安い

K

ニッケルクロム/


ニッケル-アルミニウム

-328から2300まで

最も広く使用されている

N

ニクロシル/ニシル

-454から2372まで

広く使われています; Kタイプよりも優れた性能

R

プラチナ13%ロジウム/プラチナ

1600から2640

タイプSに似ていますが、安定性が優れています

プラチナ10%ロジウム/プラチナ

1600から2640

非常に高温で使用できますが、湿気からの保護が必要です

T

銅/コンスタンタン

-75から700まで

広く使われています;非常に安定しており、非常に低温に最適です


熱電対を使用しているトップ産業は何ですか?

熱電対は天国から送られます。考えてみてください。温度範囲に関しては、これらの2接合センサーほど広いプローブタイプのセンサーは測定できません。サーミスタとRTDには明確な利点がありますが、非常に高温および非常に低温の環境で温度測定値を提供するには不十分です。熱電対を使用している業界のほんの一部を次に示します。

熱電対の種類とそれらを使用する主要産業

熱電対タイプ

業界

使用する

タイプB

鉄鋼業

製鋼プロセス全体の温度を監視する

タイプ

C

- 宇宙産業

- 原子炉

- 工業用暖房

- 高圧研究

非常に高温の真空炉

タイプ

E

- 極低温

- 製薬

- 化学アプリケーション

氷点下、不活性または酸化性の用途

タイプ

J

 (タイプEと同じ)

露出または非露出で使用できます

タイプ

K

最も広く使用されている

多くの環境タイプで使用されます:エンジン、ボイラー、ヒーター、病院の温度計、食品産業

タイプ

N

原子力アプリケーション

(タイプKよりも安定)

真空および制御された環境で使用

タイプ

R/

タイプ

S

- 半導体産業

- ガラス製造

制御センサーとして使用

タイプ

T

環境アプリケーション

食品モニタリング


確かに、熱電対が何年にもわたって人にどれだけ役立ってきたかは驚くべきことです。さらに良いことに、それらはセルフパワーで電流を生成するため、自動測定でフィールド化されたときにスポットオンになります。そして、それはなんと便利なことでしょう。定期的に温度を測定する代わりに、温度を監視回路(コンピューターなど)に接続して、時間の経過とともに結果を収集することができます。

何よりも、熱電対のシンプルな設計により、大量生産が安価になります。基本的には、いくつかの金属片が結合されています。そして出来上がり!確かに、私たちはバルトドイツの科学者トーマス・ヨハン・ゼーベックの素晴らしさに永遠に感謝しています。安価で幅広い用途があるので、人類は熱電対を牽引して大きく進歩しました。


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