재료학 - 응고 실험

1. 열전대의 원리와 종류, 사용법

1) 열전대의 원리

온도를 측정하고 제어하는 가장 보편적인 방법은 열전대(Thermocouple)라 불리는 전기 회로를 이용하는 것이다. 이 열전대는 이중 금속으로 만들어진 전기 도체로 이루어져 있으며, 적어도 한 곳에서 전기적으로 연결되어 있어, 온도차에 따라 기전력을 발생시켜 해당온도를 측정하는 장치이다. 근본적으로 열전대는 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로써 세 가지 열전효과가 열전대 안에서 작용되고 있다.
제벡효과는 서로 다른 두 금속으로 폐회로를 구성하고, 양접점에 온도 차를 주었을 때 온도 차가 없으면 각 선 전위차가 없으나, 양간간에 온도차를 주면은 양접점에는 접촉 전위차 불평형이 발생하면서 저온측 접합점으로부터 고온측으로 열전류가 이동하게 되는 것이다. 이러한 현상을 이용, 한쪽을 일정한 기준점으로 만들고 측정하고자 하는 고온측을 미지 온도차로 하면 측정하고자 하는 접속점의 온도가 변하면 미지의 온도에 대응되는 열기전력만을 정확히 측정함으로써 온도측정을 하는 것이다. 이때 일정한 온도 유지점을 기준 접점이라 칭하며, 측정하고자 하는 지점인 점을 측온접점이라 부른다. 즉, 열전효과는 서로 다른 금속을 접속하여 양단의 온도차가 발생하면 열전류가 흐르고, 한 끝을 개방하였을 때는 양단에 기전력이 존재하는 것인데 이 효과를 이용하여 열전대를 온도 측정에 이용하게 하는 것이다.
열과 전기의 관계 현상으로서는 제벡효과 외에 펠티어 효과, 톰슨효과를 가지고 설명이 되어야 하는데, 펠티어 효과는 제벡효과의 역현상으로서 2개의 서로 다른 금속 접속점에 전류를 흘리면 그 전류의 방향에 따라서, 한쪽은 열을 발생시키고 다른 쪽은 열을 흡수하는 현상을 말한 것으로 열전대를 이용하여 측정할 때 현상은 고온의 측온 접점에서는 열의흡수가, 저온인 기준 접점에서는 열의 발생이 일어나므로 실제 사용시 열전대 자신의 열전류에 의한 온도 변화는 지극히 작다.
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2) 열전대의 종류