도시된 그림은 열전 분야의 세 가지 주요 효과에 대한 원리도입니다. 즉 제베크 효과, 펠티에 효과 그리고 톰슨 효과입니다. 이번에 우리는 윌리엄 톰슨과 그의 위대한 발견——톰슨 효과를 탐구하겠습니다.

윌리엄 톰슨은 1824년 아일랜드에서 태어났습니다. 그의 아버지 제임스는 벨파스트 왕립학원의 수학 교수였으며, 나중에 글래스고 대학에서 교수를 맡게 되어 윌리엄이 8살那年 온 가족이 스코틀랜드의 글래스고로 이주했습니다. 톰슨은 10살에 글래스고 대학에 입학했습니다. 그 당시 아일랜드 대학에서는 재능 있는 초등학생을 입학시켰으니 놀라지 마세요. 약 14살부터 대학 수준의 과정을 공부했고, 15살에는 „지구의 모양“이라는 제목의 논문으로 대학 금메달을 받았습니다. 톰슨은 나중에 캠브리지 대학에서 공부했고, 학년 2등으로 졸업했습니다. 졸업 후 파리로 갔으며, 르뇨의 지도 아래 1년간 실험 연구를 진행했습니다. 1846년 톰슨은 다시 글래스고 대학으로 돌아와 자연철학(즉 물리학) 교수로 재직했으며, 1899년 퇴직할 때까지 근무했습니다.

톰슨은 글래스고 대학 현대 물리 실험실의 창립자 중 한 사람이었습니다. 24세에 열역학 모노그래피를 발표하고 '켈빈 온도계'를 확립했으며, 27세에 《열역학 강론》(Treatise on Thermodynamics)을 출판하여 열역학 제2법칙을 제시하고 물리학의 기본 법칙으로 정립했습니다. 주울과 함께 기체 확산 시 주울-톰슨 효과를 공동 발견했고, 9년간의 노력 끝에 유럽과 미국을 잇는 대서양 해저 케이블 완성监督를 맡았는데, 이 케이블은 장기간 안정적으로 운영되어 그에게 '로드 켈빈'이라는 귀족 칭호가 수여되었습니다.

톰슨은 일생 동안 다양한 분야에 연구를 확장했습니다. 수학 물리학, 열역학, 전자기학, 탄성 이론, 에테르 이론 및 지구 과학 등에 중요한 공헌을 했습니다.

1856년 톰슨은 자신이 개발한 열역학 원리를 활용해 제베크 효과와 펠티에 효과를 종합적으로 분석하고, 기존에는 서로 독립적이었던 제베크 계수와 펠티에 계수 사이에 연관성을 설정했습니다. 그는 열역학 제로(0 K)에서 펠티에 계수와 제베크 계수 사이에 단순한 비례 관계가 존재한다고 주장했습니다. 이를 바탕으로 그는 이론적으로 새로운 열전 효과를 예측했는데, 즉 온도 분포가 불균일한 도체에 전류가 통과할 때 도체는 비가역적인 주울 열 외에도 일정한 열량을 흡수하거나 방출한다는 것입니다 (톰슨 열로 알려짐). 반대로 금속 막대의 양 끝 온도가 다를 경우, 양 끝 사이에 전위차가 형성됩니다. 이 현상은 이후 톰슨 효과로 명명되었으며, 제베크 효과와 펠티에 효과에 이은 세 번째 열전 효과가 되었습니다.

이야기 끝! 핵심 포인트를 강조해봅시다!

Q: 세 가지 주요 열전 효과는 무엇인가요?A: 제베크 효과(Seeback effect)는 초기 열전 효과라고도 하며, 두 가지 다른 전기 도체 또는 반도체 사이에 온도차가 존재할 때 전위차가 발생하는 열전 현상을 말합니다.

펠티에 효과(Peltier effect)는 두 번째 열전 효과라고도 하며, A와 B 두 가지 도체로 구성된 접점에 전류가 통과할 때 회로에 전류가 흐르면서 발생하는 주울 열 외에도 접점에서 흡열 또는 발열 효과가 나타나는 현상입니다. 이는 제베크 효과의 역반응입니다. 주울 열은 전류 방향과 무관하므로, 반대 방향으로 두 번 전류를 통과시키는 방법으로 펠티에 열을 측정할 수 있습니다.

톰슨 효과(Thomson effect)는 세 번째 열전 효과라고도 합니다. 톰슨은 열역학 제로(0 K)에서 펠티에 계수와 제베크 계수 사이에 단순한 비례 관계가 존재한다고 주장했습니다. 이를 바탕으로 그는 이론적으로 새로운 열전 효과를 예측했는데, 즉 온도 분포가 불균일한 도체에 전류가 통과할 때 도체는 비가역적인 주울 열 외에도 일정한 열량을 흡수하거나 방출합니다 (톰슨 열로 알려짐). 반대로 금속 막대의 양 끝 온도가 다를 경우, 양 끝 사이에 전위차가 형성됩니다.

Q: 이 세 가지 열전 효과는 서로 어떤 관계가 있나요?A: 세 가지 열전 효과는 서로 관련이 있습니다. 톰슨 효과는 도체 양 끝에 온도차가 있을 때 전위가 발생하는 현상을 설명하고, 펠티에 효과는 대전된 도체 양 끝에 온도차가 발생하는 현상을 의미합니다 (한쪽 끝은 열을 발생시키고, 다른 쪽은 열을 흡수). 이 두 가지 효과가 결합되어 제베크 효과를 구성합니다.

요약하자면, 열전 효과는 두 물질의 접촉면에 온도차가 있을 때 전위차와 전류가 발생하는 현상을 말합니다. 제베크 효과는 열에너지를 전기에너지로 변환하고, 펠티에 효과는 전기에너지와 열에너지 간의 상호 변환을 가능하게 하며, 톰슨 효과는 물질을 통과하는 전류의 열 효과를 설명합니다.