개념 한 쪽
열전현상 세트는 네 열전 효과의 조건 변별(펠티에·지벡·톰슨·볼타), 전류·열량 계산, 도전율과 전류밀도를 묻는다.
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출제기준 단원 「열전현상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 이종 금속 접점 현상 판별 | 1 | 폐회로 접점에서 한쪽 발열·다른 쪽 흡열 조건의 효과를 가린다 |
| 도전율 단위 고르기 | 1 | 저항률과의 역수 관계로 도전율의 단위를 고른다 |
| 열전 3효과 판별 | 1 | 접합면에 전류를 흘린 조건의 열전 효과를 가린다 |
열전 현상은 조건으로 가른다 — 두 종류 금속으로 폐회로를 이루어 전류를 보내면 두 이음점 가운데 한쪽은 발열, 다른 쪽은 흡열이 일어나는 것이 펠티에 효과다. 전자냉장고와 소형 냉각소자의 원리이고, 전류 방향을 바꾸면 발열과 흡열이 서로 바뀐다. 두 접점에 온도차를 주면 기전력이 생기는 것은 지벡 효과로 펠티에와 역과정 관계다 — '전류를 넣으면 열이 변한다(펠티에), 온도차를 넣으면 전기가 생긴다(지벡)'로 짝지어 외운다.
접합부가 아니라 한 금속 안에서 일어나는 것이 톰슨 효과다 — 한 종류 금속 도체의 온도 구배 부분을 전류가 흐를 때 줄열 외의 발열·흡열이 일어난다. 서로 다른 금속을 접촉시키면 접촉전위차가 생긴다는 볼타 법칙은 온도 구배·전류와 무관한 별개의 법칙이다. '접합부+전류 = 펠티에, 접합부+온도차 = 지벡, 한 금속+온도 구배 = 톰슨' 3분할로 정리하면 어떤 보기에서도 답이 가려진다.
세트의 계산축은 전기량의 환산이다 — 전류의 정의는 I = Q/t로 3초 동안 30C가 통과하면 10A이고(단면적은 전류밀도 J = I/S용 함정 정보), 전력의 열량 환산은 Q[kcal] = Pt/4186로 1.2kW를 45분(2700초) 쓰면 W = 3.24×10⁶ J ≈ 774 kcal다.
재료의 성질 계산도 함께 나온다 — 도전율은 저항률의 역수(σ = 1/ρ)로 단위는 Ω·m를 뒤집은 ℧/m(모 퍼 미터)이고, 모(℧)는 Ω를 뒤집은 모양으로 1/Ω, 즉 지멘스와 같다. 전류밀도는 J = kE로 도전율에 전계를 곱하는데, 전계 3.5 V/㎝는 100배해 350 V/m로 바꿔 대입해야 J = 10⁻⁴×350 = 3.5×10⁻² A/m²가 나온다. 저항의 온도 의존은 R₂ = R₁[1+α(t₂−t₁)]로 25℃에서 10Ω이던 코일(α = 0.004)이 온도차 45℃에 도달하면 11.8Ω이 되고, 직렬 합성 온도계수는 α = (R₁α₁+R₂α₂)/(R₁+R₂)의 가중평균으로 100Ω 동선(α₁)에 900Ω 망간선(온도계수 0)을 붙이면 0.1α₁이 된다.
① 전류밀도 — J = kE = 10⁻⁴×350 = 3.5×10⁻² A/m²(3.5 V/㎝ = 350 V/m 환산). ② 저항의 온도 변화 — R₂ = 10×[1+0.004×(70−25)] = 11.8Ω.
두 종류의 금속으로 된 폐회로에 전류를 흘리면 양 접속점에서 한쪽은 온도가 올라가고 다른 쪽은 온도가 내려가는 현상을 무엇이라 하는가?
정답 ③ · 서로 다른 두 금속으로 만든 폐회로에 전류를 흘리면 한쪽 접속점에서는 발열, 다른 쪽 접속점에서는 흡열이 일어나는 현상을 펠티에(Peltier) 효과라 한다. 반대로 온도차를 주어 기전력을 발생시키는 것은 지벡(Seebeck) 효과, 동일 금속 내 온도구배와 전류가 있을 때 열 발생/흡수가 일어나는 것은 톰슨(Thomson) 효과, 이종 금속 접촉면에서 전위차가 생기는 것은 볼타(Volta) 효과이다.
전류로 접점 한쪽 발열·한쪽 흡열은 펠티에 효과, 온도차로 기전력은 지벡 효과다.
도전율의 단위로 옳은 것은?(일부 컴퓨터에서 특수 기호가 보이지 않아서 괄호뒤에 한글 발음으로 다시 표기하여 둡니다.)
정답 ④ · 도전율(conductivity) 의 단위는 저항률 []의 역수이므로 (모/미터)이다. 모(℧, mho)는 옴(Ω)의 역수 단위(지멘스, S)와 같다.
도전율은 저항률[Ω·m]의 역수이므로 단위는 1/(Ω·m) = ℧/m(모 퍼 미터)이다.
두 종류의 금속 접합면에 전류를 흘리면 접속점에서 열의 흡수 또는 발생이 일어나는 현상은?
정답 ② · 펠티에 효과(Peltier effect)는 두 종류의 서로 다른 금속(또는 반도체)의 접합면에 직류 전류를 흘리면 접합점에서 열의 흡수 또는 발생이 일어나는 현상입니다. 전류의 방향을 바꾸면 흡열과 발열이 서로 바뀌며, 이는 전자냉동(펠티에 소자)의 원리로 응용됩니다.
두 금속 접합면에 전류를 흘려 열 흡수·발생이 일어나는 것은 펠티에 효과이다.
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