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과학 경진 대회 - 물리 부분

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by

성현 강

on 5 September 2015

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Transcript of 과학 경진 대회 - 물리 부분

과학 경진 대회 - 물리 부분
펠티어 소자 만들기
21004 김의근
21001 강성현
21314 황현빈
21002 김건호

실험 동기
목차
1. 펠티어 소자의 정의와 원리

2. 펠티어 소자를 이용한 선풍기 제작 과정

3. 펠티어 소자 실험과 계산

4. 결론과 느낀점

펠티어 소자의 정의
펠티어 소자란?
펠티어 소자란 두 도체를 결합시시키고 전류
를 흐르게 할 때, 한쪽 도체는 차가워지고 한
쪽 도체는 뜨거워지는 펠티어 효과를 이용한
소자를 의미한다.

펠티어 소자의 정의
이 경우는 펠티어 효과를 역으로
이용하여 온도차를 이용한 발전
을 대략적으로 나타낸 것이다.

- 뒤에서 자세히 설명
펠티어 소자의 원리
*다른 말로 열전자 소자라고도 하는데, 이는 펠티어 소자와 비슷하게 통용되므로 여기서는 펠티어 소자라고 한다.
매우 간단하다!
1. 전압을 준다.
History
1821년 독일의 물리학자 T.J.Seebeck이 서로 다른 두 도체에 다른 온도로 열을 가해주면 전류 또는 전압이 발생한다는 사실을 알게 되었다.
이를 제벡 효과(seebeck Effect) 라고 한다
History
1834년 프랑스의 과학자 펠티어는 두 도체를 결합시키고 전류를 흐르게 할 때, 한 쪽의 접점은 발열하여 온도가 상승하고, 다른 쪽은 흡열하여 온도가 낮아지는 현상이 발생함을 알게 되었다.
이를 펠티어 효과라고 한다.
History
1854년 윌리엄 톰슨은 기존의 펠티에 효과와 제벡 효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들사이의 상관관계를 정리하였다.
이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라고 하였다.
따라서 이 셋을 정리하면
1.
제벡효과(seebeck effect)
: 두 금속간의 온도차 발생 - 두 금속간의 전위차 발생
2.
펠티어 효과(peltier effect)
: 두 금속간의 전위차 발생 - 두 금속간의 온도차 발생
3.
톰슨 효과(Thomson effect)
: 위 두 효과의 상관관계 정리, 단일 도체에 서로 다른 전압을 걸어줄 시 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것임을 예측
이 세 가지 효과를 합쳐
열전현상(Thermoelectric Effect)
라고도 한다.
2. 전자가 흐른다.
3. n형 반도체 아래에서는 전자의 흐름에 의해 흡열 반응이 일어난다.
4. 반대로 P형 반도체 아래에서도 비슷한 이유로 흡열 반응이 일어난다.
그러면 결과적으로
이러한 과정을 거치며 흡열, 발열 반응이 나타난다.
펠티어 소자의 원리
1. 제벡 효과의 원리
우선 펠티어 소자의 원리에 앞서 제벡 효과에 대한 원리 설명이 필요하다.
제벡 효과를 이용한 회로
위 상황은 검류계에 도체 두개, 그 아래에 p,n형 반도체와 그를 도체로 연결하고, 위, 아래를 부도체(흰색 사각형)로 연결한 회로이다.
위 상황에서는 전류가 흐르지 않는다.
이제 열을 가한다
- n형 반도체에 있던 전자가 들뜬 상태가 되어
P형 반도체 쪽으로 이동한다.
그러면 P형 반도체에 있는 양공과 결합하여 전류가 흐르게 된다.
제벡 효과 공식
제벡 회로에서 발생하는 전류 밀도는
(단, J는 전류 밀도, 시그마는 로컬전도도 , ▽V는 전압의 그라디언트, Eemf는 기전력이다)
용어 해설
전류 밀도(current density): 어느 지점에서의 전류 I를 그 전류를 운반하고 있는 매개체의 단면적 S로 나눈 것, 단위로 A/㎡을 사용한다.
gradient(▽): 그라디언트라고 읽는다.
기전력(electromotive force): 서로 다른 두 점간에서 전위가 높은 곳으로부터 낮은 곳으로 전기를 이동하려는 힘을 기전력라고 하며 단위로 V(볼트)를 사용한다.
https://mirror.enha.kr/wiki/%ED%8E%A0%ED%8B%B0%EC%96%B4%20%EC%86%8C%EC%9E%90
펠티어 소자의 원리
2. 펠티어 효과의 원리
펠티어 효과를 이용한 회로
위에서 보았던 제벡 효과를 역으로 이용하는 회로라고 볼 수 있다.
1. 전류가 흐른다 - 전자의 이동 방향은 전류의 이동 방향의 반대이므로 -극에서 반도체로 전자가 이동한다.
2. -극에 흐르는 전자가 n형 반도체로 이동한다. 그런데 이 과정에서 도선에 있는 전자가 n형 반도체로 넘어오기 위한 충분한 에너지를 얻기 위해 흡열 반응을 일으킨다.
3. +지점에서도 비슷한 현상이 일어나는데, +극에 있던 양공이 반도체 쪽으로 넘어오면서 흡열 반응이 일어난다.
4. 위 부분(초록색)에서 양공과 전자는 서로 결합하여 남아도는 에너지를 방출하는 발열 반응을 일으킨다.
즉 3-5과정을 다시 설명하자면
- 왼쪽 아래면에 있던 전자가 n형 반도체로 넘어가기 위해 흡열 반응을 일으킨다. 즉 그 부분에 있는
열을 흡수
한다
- 오른쪽 아래면에 있던 양공은 p형 반도체 쪽에서 넘어가기(생성되기) 위해 똑같이 흡열 반응을 일으킨다. 즉 그 부분의
열을 흡수
한다.
- 위 부분에서 양공과 전자가 만난다. 이때부터 남아도는 에너지를 방출하기 시작하는데, 그러면서
위 면이 뜨거워진다.
즉 펠티어 효과는 전압를 이용해 온도차를 만들 수 있다는 효과이다.
펠티어 효과 공식
펠티어 효과 공식은
(단, Qdot는 단위 시간당 방생하는 열(이것을 펠티어 열이라고한다), Πa는 컨덕터 a의 펠터어계수, Πb는 컨덕터 b의 펠티어 계수, I는 B에 대한 전류값이다)
여기서 Eemf는
Eemf = -S▽T
(단, S는 제벡 계수(seebeck coefficient)이고,

▽T는 구배온도이다.)
제벡 계수 : 1℃당 온도차로 인하여 발생되는 열 기전력을 제벡 계수(Seebeck Coefficient)라 한다.
5. 위 부분에서 전자와 양공이 만나 발열 반응이 일어난다.
* 자세한 설명은 펠티어 효과 할 때 설명하였으므로 생략
제작 과정
1. 제작 기간 : 8월 21일 - 8월 31일(중간에 부품 불량이 발생하여 다시 제작하였다)
2. 제작자: 김의근
3. 제작 물품: 제벡 효과를
이용한 펠티어 소자, 그리고
프로펠러를 연결해 선풍기를
만들었다.
제작 과정
1. 재료를 준비한다.
- 전선 4개
- 광다이오드
- 증폭기
- 동판(스테인리스 도금)
- 순간접착제
- 모터와 프로펠러
- 머그컵 2개
- 너트와 볼트
- 펠티어 소자
- 글루건
2. 펠티어 소자를 동판과 접합한다.
+
=
4. 접합된 동판을 증폭기와 결합시킨다.
*글루건 이용
+
증폭기 결합 이유: 펠티어 소자에서 나오는 전류값을
더욱 크게 하기 위해서
5. 증폭기 부분과 프로펠러 부분을 결합시킨다.
6. 이제 스티로폼 구조물을 만든다(장식)
완성
실험 과정
펠티어 소자의 활용
역할
21004 김의근: 실험 도구 제작, 실험 결과(효율그래프) 제작&정리

21001 강성현: 실험 계획, 실험 결과 정리, PPT(프레지) 제작
21314 황현빈: 실험 내용 정리, 기타 자료 찾기, 공식 정리
21002 김건호: 실험 계획, 펠티어 소자 활용 찾기, 공식 정리
1. 냉장고 - 펠티어 소자를 이용해 만들 수 있다.
펠티어 소자의 활용
- 실제로 펠티어 소자를 이용해 만든 냉장고도 존재한다.
- 방금 전에 보았던 동영상과 같은 동영상을 올린 사람도
수천명(유튜브 검색(peltier refrigrator) 결과 약 4600건)
정도 된다.
*펠티어 소자를 이용한 와인 냉장고
2. 에어컨 - 원리는 냉장고와 같다
원리
펠티어 소자, 즉 펠티어 효과를 이용한소자에 전압을 걸어주면 차가운 면과 뜨거운 면이 생기는데, 차가운
면을 밀폐된 공간에 넣고 뜨거운 면을 외부에 설치하면 냉장고가 된다.
펠티어 소자의 원리
3. 톰슨 효과의 원리
펠티어 소자의 장점과 단점
펠티어 소자는 주로 냉각용으로 쓰이는데, 그에 대한 장단점은
장점
1. 펠티어 소자를 냉각용으로 사용할 시 CFC(chlorofluorocarbons) 가 나오지 않는다
2. 자주 부품을 바꿀 필요가 없다.
3. 국소 부위(특정 부위)의 냉각이나 가열이 가능하다.
4. 부품의 내구성이 좋다(100,000시간 이상)
5. 부품을 크게 하거나 작게 하기에 용이하다.
6. 전압과 전류 변화를 통해 냉각, 가열 정도를 조절할 수 있다.
7. 대부분의 환경에서 건전지만 있어도 작동이 가능하다.
단점
1. 무한정 차갑게 할 수 없다. 이는 펠티어 소자 특성과 관련되어 있는데, 자세한 것은 아래 설명을 참고하기 바란다.
2. 특정 용도에서 효율성이 많이 떨어진다.
온도를 무한정 내릴 수 없는 이유는?
더욱 온도차를 크게 하기 위해서는 더욱 많은 전압을 줘야 하는데, 그로 인해 발열부에서 충분한 에너지를 방출하지 못한 전자가 흡열부로 가 다시 열을 방출한다. 이러한 현상을
열폭주
라고 한다.
따라서 방열하는 것이 중요하다.
*펠티어 소자를 판매용 에어컨에 응용한 사례는 아직 없다. 주는 전압에 비해 효율이 현재 에어컨보다 많이 떨어지기 때문이다.
*하지만 관련 기술이 많이 개발되고 있으므로 조만간 펠티어 소자를 이용한 에어컨이 개발될 것이다.
펠티어 소자의 응용
가스레인지
모든 가스레인지 안에는 조그만한 원통 모양의
물체가 있는데, 이게 열에 의해 가스 벨브를
열어주는 펠티어 소자(제벡 소자)이다.
실험 기간: 8월 29일 - 9월 2일
실험 내용
1. 펠티어 소자 작동 테스트(8월 29일)
2. 펠티어 소자를 통해 프로펠러 돌리기(9월 2일)
3. 펠티어 소자의 전압과 온도간의 관계를 통한 효율 측정(9월 3일)
9월 2일 실험
프로펠러를 돌리는 실험
실험 과정
1. 전에 만들었던
펠티어 소자와
전압계를 준비한다.
2. 한쪽 컵에 찬물을 넣는다.
3. 그리고 그 위에 있는 스티로폼 부분에 얼음을
가져다 놓는다.
* 얼음을 가져다 데는 이유: 온도차를 더욱 크게 하기 위해서
4. 그리고 뜨거운 물을 넣는다.
5. 전압을 재서 전류가 흐르는지 확인한다.
*약 5V가 나왔다.
*이 과정에서 전압은 나왔는데, 프로펠러가 돌아가기 위한 정격 전압(약 6V)이 나오지 않았다.
*그래서 옆의 사진처럼
직접 뜨거운 물을 부어
온도차를 더욱 크게 해
전압을 더 높였다.
6. 펠티어 소자로 인해 프로펠러가 돌아가는지 확인한다.
*이때 전압이 약 7V가 나왔다.
9월 2일 실험
펠티어 소자 효율 측정 실험
1. 어제 실험했던 펠티어 소자와 온도계, 전압계를 준비한다.
2.어제와 똑같이 찬물과 얼음, 뜨거운 물을 준비한다.
3. 얼음의 온도를 잰다
*약 2도 정도 나왔다
4. 그 다음 얼음을 펠티어 소자에 가져다 덴다
*이는 펠티어 소자의 효율을 증가시키기 위함이다.
5. 전압계를 연결하여 전압이 생기는지 확인한다
*오류가 있을지 몰라 두 전압계를 연결해 수치가 정확한지 확인해 보았다.
7. 이 상태에서 펠티어 소자의 뜨거운 부분, 차가운 부분, 전압을 매 분마다 측정한다.
*엄밀히 말해 우리가 실험하는 소자는 제벡 소자인데, 통상적으로 펠티어 소자라고 하니 그렇게 명시하였다.
느낀점
감사합니다!
참고 문헌
[네이버 지식백과] 톰슨 효과 [Thomson Effect] (시사상식사전, 박문각)
이를 톰슨 효과(Thomson Effect)라고 한다.
앞에서도 말했듯이 이 실험을 하기 위해서 여러번의 노력이 필요하였다. 특히 처음 두 가지의 실험이 실패하면서 이번 실험도 실패하면 과학 경진대회는 없던 일로 하기로 하였는데, 다행이 이번 실험은 성공하여 그러한 일은 피할 수 있었다.
우리는 이번 대회를 꼭 상을 타기 위해 준비한 것은 아니다. 즉 우리는 학교에서 하는 이러한 대회를 통해 우리의 관심사에 대해 더욱 다가가고, 그에 대한 학구적인 탐구를 통하여 우리의 관심사에 대한 지적 능력을 향상시키기 위해 이 대회에 출전하였다.
또한 각각의 조원들이 열심히 일해주어서 매우 감사하다. 이 조별 활동이라는 것이 한쪽이 무너지기 시작하면 다른 쪽이 다 무너져 결국 한 명이서 나머지를 끄는 구도가 만들어지는데, 이번에는 그러한 일 없이 모든 조원들이 자기 일처럼 나서서 열심히 해 그러한 일이 발생하지 않았다.
그리고 서영석 선생님, 그리고 과학과 조교 선생님께도 감사의 말씀을 전하고 싶다.
서영석 선생님께서는 선생님이 쓰시는 물리실을 거리낌 없이 빌려 주셨으며, 특히 과학과 조교 선생님께서는 저희들의 실험이 원활히 진행될 수 있도록 많은 도움을 주셨으며, 그 밖에도 많은 도움을 주셨다. 다시한번 감사의 말씀을 전해드린다.
구배온도란?
그라디언트가 붙은 온도값은 단순히 온도의 변화량이라고 할 수 없다.
이는 법선방향이랑 등온면 사이의 거리에 대한 온도 변화의 값이다.
실험 원리
아까 보았던 제벡 효과를 이용한 것이다. 사진을 통해 알아보면
뜨거움
차가움
펠티어 소자
-극(전선을 연결할
시 선을 잘못 연결
하여 -극이 됨)
+극
p형 반도체와 연결
n형 반도체와 연결
더 자세한 설명은 제벡 효과 설명을 참고하기 바람
실험 동영상
실험 동영상 - 전압 테스트
실험 동영상 - 온도, 전압 측정
http://search.naver.com/search.naver?where=nexearch&query=%EC%9C%A0%ED%8A%9C%EB%B8%8C&sm=top_sug.pre&fbm=1&acr=1&acq=%EC%9C%A0&qdt=0&ie=utf8
김의근 아버지(전문가)
강성현 누나(공대생)
이 데이터는 나중에 펠티어 소자 효율 계산을 위해 쓰인다.
실험 결과 정리
실험 목적
제벡 효과 공식에서
펠티어 소자가 정상적으로 작동할 때 J는 0이다.
그 상태에서 시그마는 0이 아니므로 약분하면
▽V = Eemf
즉 온도차를 크게 하면 기전력의 세기가 세짐을 알 수 있다.
실험 목적
따라서 우리는 ▽V ∝ Eemf의 관계를 탐구하기 위해 이 실험을 진행하였다.
우리는 실험 결과를 엑셀로 정리하였는데, 그 결과는
이렇게 된다.
실험 결과 정리
*x축이 온도차
*Y축이 전압
- 아래로 갈수록 온도차가 커짐을 알 수 있는데, 이는 시간 순서대로 배열한 것이 아니라 온도차가 가장 작은 것부터 배열하였기 때문에 나타난 일이다.
실험 결과 정리
위 그래프를 통하여 온도차는 전압과 비례 관계에 있음을 알 수 있다.
실험 한계
1. 전압을 측정할 시 아날로그 전압계와 디지털 전압계를 동시에 사용하였는데, 그 둘의 수치가 완전히 일치하지 않아 전압 측정값에 오차가 발생했을 가능성이 있다.
2. 온도계를 학교에 있는 수은 온도계와 알코올 온도계를 사용하였는데, 측정할 시 정면에서 측정하지 못한 몇몇 값들이 존재한다. 이로 인해 오차가 발생하였다.
3. 마지막으로 펠티어 소자가 이론적으로 완벽한 상황이 아니였다.
이러한 한계로 인해 완전한 비례 관계가 나오지 못했다.
각 재료별 제벡 계수
백금에 대해 나머지 재료들의 제벡 계수는(μV / K)
셀레늄: 900
텔루륨: 500
실리콘: 440
게르마늄: 330
안티몬: 47
니크롬: 25
몰리브데넘: 10
카드뮴 , 텅스텐: 7.5
금 , 은 ,구리: 6.5
로듐: 6.0
탄탈륨: 4.5
알루미늄: 3.5
탄소: 3.0
백금: 0(정의)
나트륨: 2.0
칼륨: 9.0
니켈: 15
비스무트: 72
펠티어 계수란?
펠티어 계수는 단위전하당 수행되는 열의 양을 뜻한다.
펠티어 효과를 결론적으로 보면
서로 다른 성질의 두 도체가 있다.
->전류를 가해준다.
->이때 B 지점에 자기장 발생
->이에 의해서 열도 발생
->이것이 Q dot이다.
톰슨 효과(Thomson effect)란?
동일한 금속에서 부분적인 온도차가 있을 때 전류를 흘리면 발열 또는 흡열이 일어나는 현상을 톰슨 효과라고 한다.
이는 제벡 효과와 펠티어 효과가 서로 연관되어 있음을 나타낸 것이다. 즉
제벡 효과: 서로 다른 서로 다른 두 도체의 접합부에 온도차가 생기게 하면 기전력이 통함
펠티어 효과: 서로 다른 두 금속을 이어 붙인 후 전기를 통하게 하면 두 금속의 접합부에서 온도차가 발생
--- 톰슨 효과: 이 두 가지의 상호 연관성을 확인하였다.
톰슨 효과 공식
(단, q dot는 열생성률, K는 톰슨 계수, J, ▽T는 제벡 효과 공식과 동일)
톰슨 계수란?
(단, T는 온도, S는 제벡 계수)
이와 몇 가지 공식을 통해
(단, 파이는 펠티어 계수, T는 온도, S는 제벡 계수)
를 유도해 낼 수 있다.
현재 인류의 전력 사용으로 인한 각종 환경 오염이 심각한 상태이다. 이러한 상황에서 과학자들은 친환경적인 발전 수단을 개발하기 위한 노력을 하고 있는데, 그 중 대중에게 잘 알려지지 않은 것들도 있다.
우리는 이번에 펠티어 소자라는 반도체를 주제로 가지고 이번 과학경진대회를 준비했다. 처음에 의근이가 이 소자에 대해 말하기 이전에는 이게 무슨 소자인지 아예 몰랐다. 그런데 이 소자에 대해 조사를 해 보니, 많은 과학자들이 이 소자에 대해 많은 연구를 하고 있었고, 일부는 상용화해 제품에 쓰이는 경우도 있었다. 그러한 것들을 보고 우리는 전문가에게는 잘 알려져 있지만 일반 사람들에게 그렇지 않은 펠티어 소자를 주제로 잡기로 하였다.
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