재료공학실험 | Thermocouple을 이용한 온도측정법

 

 

 

TIP

 

 

재료의 상변화에 영향을 주는 변수들(온도, 압력, 조성) 중 실제 실험에서 가장 크게 작용하는 변수는 온도이다. 실제 실험 및 산업현장에서 가장 널리 쓰이는 Themocouple을 이용하여, 매우 높은 온도에서의 재료의 온도를 측정해보고, 나아가 재료의 변태점 측정방법, 상분석방법을 알아본다.

 

 

 

제베크효과(Seebeck effect)

2종류의 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합해 폐회로를 구성하고 온도차이를 주게되면 회로에 열기전력을 일으킨다. 이방법을 이용해 열전대개발이 이루어지게 되었다. 즉, Seebeck effect는 두 개의 정점이 각기 다른 온도에서 유지되는 하나의 루프 안에 두 개의 각기 다른 전도체가 결합되어 있을 때 전류가 생기는 것을 말한다.

 

두 개의 물체가 각각 다른 free electron densities를 갖고 있다고 가정하는 반면 두 개의 온도는 같다고 하자. 두 물체를 결합시킬 때 그 정점은 새로운 평형을 유지하다 전하차에 균형을 유지하려고 더욱더 많은 에너지를 가진 전자가 한 물체에서 다른 물체로 이동한다. 자연적으로 두 물체 각각의 disturbs은 각자의 individual equilibriums하다. 이러한 disturbance은 자유전자의 이동에 의해 유도되며 이런 과정에서 한쪽 물체에는 positive charges가 다른 한 물체에는 negative charges 가 오게 된다.

 

한 루프에 있는 두 개의 물체의 setup이다. 이때 전류는 electric field 와 circulates the loop으로부터 형성된다. 우리가 알고있는 Seebeck current는 높은 온도를 유지하는 junction에 "easy time"을 갖는다. 그러므로 equilibrium temperature을 유지하기 위해 열을 흡수하려고 한다.

 

Seebeck current 는 electric field에 반대 방향으로 가야한다. 그러므로 일을 해야하고 , 그러므로 온도를 높이려고 한다. 결과 적으로 Seebeck current 는 그 system 이 equilibrium conditions.로 되려 하는 것이다. 위와 같은 이론을 바탕으로 한 장치는 thermocouple 이라 하고 생성된 전위차를 thermo-emf 라고 한다.

 

 

펠티에효과(Peltier effect)

다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또다른 한쪽은 냉각되는 현상. 즉, thermcouple 회로에 외부 기전력을 걸어주었을 때, Seebeck effect와는 반대되는 현상이 관찰된다.

 

이것은 이상기체의 등엔트로피 팽창에 의한 냉각의 원리로 반도체 내의 전자기체에 적용하여 설명할 수 있으며, 전자농도가 짙은 반도체로부터 전자농도가 옅은 반도체로 전자가 이동할 때, 전자기체는 팽창하여 화학퍼텐셜이 같은 두 물체 사이의 퍼텐셜 장벽에 대하여 일을 하게되는데, 그 결과 나타나는 전기적 냉각현상이 바로 Peltier Effect 이다.

 

전류가 Seebeck 전류와 동일한 방향으로 흐를 때, 열은 온접점에서 흡수되고 냉접점에서 방출되는데 Peltier Effect는 1 Coulomb의 전기가 서로 다른 두 금속의 접점을 통과할 때의 열량의 변화로 정의된다. 전류의 방향은 열이 방출되거나 흡수되는 것에 의해 결정된다.

 

따라서 이 효과는 역으로도 가능하며, 접점부의 온도와 도체의 구성재질에만 관계된다. 두 종류의 다른 금속이 접해 있을 때 Vector E-field나 space charge가 형성되어, 더 이상의 전자가 흐르는 것을 막을 때까지 접점을 통해 한 금속에서 다른 금속으로 전자가 이동한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 전기로의 온도를 800℃로 맞추고, 알루미늄을 일정량 담은 도가니를 넣어 용융시킨다.

 

2) 액상의 알루미늄을 꺼내어 Thermocouple를 이용하여 5초간격으로 온도를 측정한다.

 

3) 측정한 data를 이용하여 냉각곡선을 그리고, 변태점을 확인한다.

 

 

 

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