熱電効果の理解:サーモカップルとゼーベック効果
部品と材料
- 裸銅線(非絶縁)
- 裸鉄線(非絶縁、入手困難ならアルミニウム)
- ロウソク
- 氷
相互参照
Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 9: “Electrical Instrumentation Signals”
学習目標
- サーモカップルの機能と実用目的を説明。
回路図

図解

実験手順
1. 鉄線の一端と銅線の一端を撚り合わせる。自由端を端子台に接続。ボルトメーターを最感度レンジに設定し、端子台端子に接続。メーターはほぼゼロ電圧を示すはず。
2. この組み立てはサーモカップルであり、接合部(撚り合わせた先端)と端子台上の基準点の温度差に比例した電圧を生成するデバイスです。先端温度が端子台と等しければ電圧はゼロ。
3. ロウソクに火を点け、撚り合わせた先端を炎に挿入。ボルトメーター観察:正電圧が出現。先端を外し冷却、電圧がほぼゼロに戻ることを確認。
4. 先端を氷に触れさせる。電圧を記録。炎での読みより大きいか小さいか、極性は反転するか。指で挟み温め、電圧がゼロに向かう傾向を観察。
5. この実験はゼーベック効果を実証します。導体に沿った温度勾配によって電圧が生成される現象。サーモカップルはこの原理を利用し、電圧は2種の異種金属のゼーベック電圧の差となります。
科学的背景
サーモカップルは、一端で接合された2種の異なる金属で構成されます。接合部が他端に対して温度差を経験すると、各金属は独自のゼーベック電圧を発生。測定電圧はこれら2電圧の差です:

温度差と電圧の関係は再現性が高く概ね線形であるため、サーモカップルは信頼性の高い温度センサーとして広く使用されます。異なる金属ペアを選択することで、測定可能な温度範囲を調整できます。
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