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ペルチェ素子(熱電変換素子)の動作原理 (1)


なぜ、半導体に温度差を与えただけで発電できるのでしょうか。
ここでは、ペルチェ素子の発電原理について解説します。

物質と電気


物質と電気との関係というものを考えると、物質には3つの種類があります。
電気をよく通すものと、通さないものと、中途半端に通すものの3種類です。
通すものは「導体」、通さないものは「絶縁体」、そして中途半端に通すものは「半導体」と呼ばれます。

導体と半導体と絶縁体


電気を通すということは、物質の中で電子が動くということです。この3種類の物質の、電子の動きをイメージしてみましょう。
物質の中を映画館に例えてみます。映画館の客席と、その客席に座る観客(=電子)の動きで、「導体」、「絶縁体」、「半導体」を考えます。

導体の電子の動き


導体というものは、観客席よりも観客のほうがとっても多い映画館のようなものです。座れなくて、うろうろと歩いている観客(=電子)がたくさんいます。そのために、観客(=電子)は自由に動くことができます。つまり、「電子が動きやすい=電気が流れやすい」というわけです。もし、観客が左側に集まりたいような状況が発生すると、みんなで左側に集まってしまうような状態なので、観客を移動させることが簡単な状態です。つまり、「電子が動きやすい」=「電気が流れやすい」、というわけです。
もちろん、立っている観客と座っている観客とが、入れ替わることもできます。交代してくださいと頼む「立っている観客」が多いために、座っている人も、交代しなくちゃならないかな、と思ってしまう状況なのです。

絶縁体の電子の動き


絶縁体というのは、導体とは逆に、映画館の客席の数と観客の数とが、ほぼ一致してしまっている状況にあります。つまり、立っている観客がほとんどいないわけです。そういう状況であれば、観客(=電子)は動こうとしません。「観客が動かない」=「電子が動かない」=「電気が流れない」というわけです。

半導体の電子の動き


半導体とは、映画館の客席も満席だけど、ちょっとは立っている観客もいる、という状況の物質です。導体よりは立っている観客は少ないけれども、絶縁体よりは多い、という状況にあります。
この状態だと、
「動ける観客が微妙にいる」=「微妙に電子が動ける」=「微妙に電気が流れる」
ということになっています。

もう一種類の半導体


上で説明した種類の半導体、つまり少しだけ立っている観客がいる半導体は、N型半導体と呼ばれますが、半導体にはもう一種類のものがあります。
それは、客席が少しだけ余っている状態の物質です。つまり観客は、空いている席がそこそこあるために、そこそこ自由に移動することができます。これは、P型半導体と呼ばれています。
立っている観客が微妙にいるN型半導体と同じように、空いている席が少しだけあるために、座っている観客が別な席に少しだけ移動できてしまう、という状況にあります。

物質と電子の関係がイメージできたでしょうか。では次に、物質と温度差の関係について説明します。






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