By 금속에 전기가 흐를 때 전류의 열작용에서는 전기 에너지가 열에너지로 변하는데 반대로 열에너지를 전기에너지로 변화시키는 것을 열전류라고 한다. 두 개의 금속을 결합시켜 하나의 폐곡선 회로를 만들고 두 금속의 접합부 두 곳의 온도를 다르게 하면 회로에는 어떠한 특별한 조치를 취하지 않아도 자연스럽게 전류가 흐른다. 이것을 열전류라 하고, 이 때의 전위차를 열기전력이라 하며, 이런 장치를 열전대 또는 열전쌍이라 한다.
이러한 열전류의 발생은 두 금속이 온도가 변화할 때에 그 안의 자유전자 구름의 에너지 레벨이 올라가는 속도의 차이가 발생하는데서 생기게 된다.
예를 들어 구리와 철을 연결한 폐회로에서 접합부의 온도가 같을 때에는 전류가 흐르는 방향은 각 금속의 내부에서의 자유전자의 에너지 레벨에는 영향을 받지 않는다. 물론 이 상황에서는 전류도 생성되지 않는다. 구리와 철의 자유전자 레벨은 차이가 원래 있기 마련이지만 두 접합부에서 똑같은 차이가 발생하므로 흐르지 않게 되는 것이다.
두 접합부의 온도가 바뀌게 되면 구리와 철 속의 자유전자들의 에너지레벨의 변화의 차이가 바뀌게 된다. 두 접합부의 온도에서의 구리와 철의 자유전자들의 에너지레벨이 동일하지 않기 때문에 한 쪽에서는 두 금속중 한 금속에서 다른 금속 쪽으로 전자가 넘어가고, 반대쪽 접합부분에서는 그 반대 현상이 일어나게 되기 때문이다. 자료에 의하면 높은 온도에서 철의 자유전자의 에너지레벨이 구리의 에너지레벨보다 높다고 나온다.
금속은 온도가 변함에 따라서 비례해서 길이가 변화하는데, 그 변화하는 양은 대부분의 금속에서 1℃ 변화할 때마다 1/273 만큼 변화한다. 이 양은 기체의 자유 팽창과 정확히 일치하는 수치인데 이는 금속 내부의 자유전자의 분포가 기체와 거의 비슷한 변화를 보이기 때문일 것이다.
각 금속들은 원자의 결정배치가 각기 다르고, 또 자유전자 구름과 고정된 결정의 원자위치의 거리가 달라져서 온도 변화에 따라 일정하게 팽창 혹은 수축하는 현상이 발생할 때에 금속마다 변화하는 자유전자의 에너지 레벨이 달라지게 된다.
에너지 레벨이 온도에 따라 변화하는 속도가 달라지므로 두 접합부의 온도가 달라지게 되면 두 접합부에서의 자유전자의 에너지레벨차이가 달라지게 되므로 기전력이 형성되게 된다. 이때 온도가 상승할때 에너지 레벨이 빨리 낮아지는 금속이 -극이 되고, 느리게 낮아지는 금속이 +극 이 된다. 이러한 현상이 발생하면 전류가 흐르면서 높은 온도의 접합부에 있던 열이 낮은 온도 쪽으로 이동하는 현상도 보이게 된다.
- 열전류의 기전력은 접합시킨 금속의 종류에 따라 다르다.
- 정해진 한 쌍의 금속에서 기전력과 온도차 사이에는 일정한 관계가 있다. 온도차가 크지 않을 때 기전력은 대체로 온도차에 비례한다.
- 아래의 금속 중에서 두 종류를 택하여 회로를 만들고 접합부에 온도차를 만들어 주면 온도가 높은 쪽 접합부를 통해서 열전열의 앞쪽에 있는 금속에서 뒤쪽에 있는 금속쪽으로 전류가 흐르며 두 개의 그속이 멀수록 커진다.
이 금속열을 열전열이라 한다.
(-) Bi -> Ni -> Pt -> Au -> Cu -> Pb -> Zn -> Ag -> Fe (+ )
온도가 높은 경우의 극성
이 열전류는 반대 현상도 발생하게 된다.
위의 열전류 회로를 똑같이 구성하고 인위적으로 전류를 그 회로에 흘려주면 열전류가 발생하는 현상과 반대로 한 쪽의 접합부는 온도가 올라가고, 반대쪽 접합부는 온도가 내려가게 된다. 올라가는 곳과 내려가는 곳의 접합부는 온도가 높은 곳과 낮은 곳에 전류가 흐르는 방향까지 모두 열전류와 똑같이 결정되게 된다.
이러한 현상은 팰티어 소자와 열교환 소자로 우리 일상생활에 이용되고 있다.
팰티어 소자는 냉각장치에서 전기를 흘려 강제로 온도를 낮춰주는 소자로 컴퓨터 cpu 냉각에 사용되어 왔다.
열교환 소자는 전기를 이용해 냉난방을 하는 장치인데 우리 주변에서 김치냉장고에서 이용된다. (펠티어 소자 – 미래의 냉난방 기술 참고)
참고문헌 : 두산동아 HighTop 물리2 하권
