그림은 열전 분야의 세 가지 주요 효과, 즉 Seebeck 효과, Peltier 효과 및 Thomson 효과의 개략도를 보여줍니다. 이번에는 윌리엄 톰슨(William Thomson)과 그의 위대한 발견인 톰슨 효과(Thomson Effect)에 대해 알아보겠습니다.
William Thomson은 1824년 아일랜드에서 태어났습니다. 그의 아버지 James는 Royal College Belfast의 수학 교수였습니다. 나중에 그가 글래스고 대학교에서 가르치던 중 윌리엄이 8세였을 때 그의 가족은 스코틀랜드 글래스고로 이주했습니다. Thomson은 10세에 글래스고 대학교에 입학했고(그 시대에 아일랜드 대학은 가장 재능 있는 초등학생을 입학시켰다는 사실에 놀랄 필요는 없습니다), 14세쯤에 대학 수준의 과정을 공부하기 시작했습니다. 15세에 그는 "The Shape of the Earth"라는 제목의 기사로 대학 금메달을 받았습니다. Thomson은 나중에 Cambridge University에서 공부하고 학년에서 두 번째로 우수한 학생으로 졸업했습니다. 졸업 후 그는 파리로 가서 르네의 지도 아래 1년간 실험 연구를 수행했다. 1846년 톰슨은 글래스고 대학교로 돌아와 1899년 은퇴할 때까지 자연 철학(즉, 물리학) 교수로 재직했습니다.
Thomson은 University of Glasgow에 최초의 현대 물리학 실험실을 설립했습니다. 24세에 그는 열역학에 관한 논문을 출판하고 온도에 대한 "절대 열역학적 온도 척도"를 확립했습니다. 그는 27세에 『열역학 이론』이라는 책을 출간하여 열역학 제2법칙을 확립하고 이를 물리학의 기본 법칙으로 삼았습니다. 줄과 가스 확산 중 줄-톰슨 효과를 공동으로 발견했습니다. 9년 동안 유럽과 미국을 연결하는 영구적인 대서양 해저 케이블을 건설한 끝에 그는 "켈빈 경(Lord Kelvin)"이라는 고귀한 칭호를 받았습니다.
Thomson의 연구 범위는 평생 동안 상당히 광범위했습니다. 그는 수리 물리학, 열역학, 전자기학, 탄성 역학, 에테르 이론 및 지구 과학에 중요한 공헌을 했습니다.
1856년 톰슨은 자신이 확립한 열역학적 원리를 적용하여 제벡 효과와 펠티에 효과를 종합적으로 분석하고, 원래 관련이 없었던 제벡 계수와 펠티에 계수 사이의 연관성을 확립했습니다. Thomson은 절대 영도에서 Peltier 계수와 Seebeck 계수 사이에 단순한 다중 관계가 있다고 믿었습니다. 이를 바탕으로 그는 온도가 고르지 않은 도체에 전류가 흐를 때 비가역적인 줄열(Joule Heat)이 발생하는 것 외에도 도체가 일정량의 열(톰슨 열)을 흡수하거나 방출한다는 새로운 열전 효과를 이론적으로 예측했습니다. 또는 반대로 금속 막대의 양쪽 끝의 온도가 다르면 금속 막대의 양쪽 끝에서 전위차가 형성됩니다. 이 현상은 후에 톰슨 효과(Thomson Effect)라고 불리며 제벡 효과(Seebeck effect), 펠티에 효과(Peltier effect)에 이어 세 번째 열전 효과가 되었습니다.
이야기는 끝났습니다. 여기에 핵심이 있습니다!
Q: 세 가지 주요 열전 효과는 각각 무엇입니까?
A: 첫 번째 열전 효과라고도 알려진 제벡 효과는 서로 다른 두 도체 또는 반도체 사이의 온도 차이로 인해 발생하는 열전 현상을 말하며, 이로 인해 두 물질 사이에 전압 차이가 발생합니다.
제2열전효과라고도 불리는 펠티에 효과는 도체 A와 B가 이루는 접점에 전류가 흐를 때, 회로에 흐르는 전류에 의해 발생하는 줄(Joule) 열 외에 접점에서도 흡열 또는 발열 효과가 나타나는 현상을 말합니다. 이는 Seebeck 효과의 역반응입니다. 줄열은 전류의 방향과 무관하므로 펠티에 열은 반대 방향으로 두 번 전기를 가하여 측정할 수 있습니다.
세 번째 열전 효과라고도 알려진 톰슨 효과는 절대 영도에서 펠티에 계수와 제벡 계수 사이의 단순한 다중 관계를 갖기 위해 톰슨에 의해 제안되었습니다. 이를 바탕으로 그는 온도가 고르지 않은 도체에 전류가 흐를 때 비가역적인 줄열(Joule Heat)이 발생하는 것 외에도 도체가 일정량의 열(톰슨 열)을 흡수하거나 방출한다는 새로운 열전 효과를 이론적으로 예측했습니다. 또는 반대로 금속 막대의 양쪽 끝의 온도가 다르면 금속 막대의 양쪽 끝에서 전위차가 형성됩니다.
Q: 이 세 가지 열전 효과는 어떤 관계가 있나요?
A: 세 가지 열전 효과에는 특정 연관성이 있습니다. 톰슨 효과는 도체의 두 끝 사이에 온도 차이가 있을 때 전위가 생성되는 현상입니다. 펠리에 효과는 대전된 도체의 두 끝 사이에 온도 차이가 발생하는 현상입니다(한 쪽 끝은 열을 발생시키고 다른 쪽 끝은 열을 흡수함). 이 둘의 조합은 Seebeck 효과를 구성합니다.
정리하면, 열전효과란 두 물질의 접촉점에서 온도차가 있을 때 전위차와 전류가 발생하는 현상을 말한다. Seebeck 효과는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고, Peltier 효과는 전기 에너지와 열 에너지의 상호 변환을 실현하며, Thomson 효과는 전류가 물질을 통과할 때 열 효과를 나타냅니다.
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