thermal electromotive force(熱起電力)

抵抗測定に関する翻訳で、thermal electromotive force(熱起電力)という言葉が出てくる(例えば、B2961Aと34420Aを使用した高性能低抵抗測定のp1)。

1本の金属線の両端に温度差を与えると、高温側の自由電子は低温側よりも大きなエネルギーを持つことになるので、自由電子が高温側から低温側に熱拡散により移動する。自由電子の移動に伴い、自由電子はマイナスの電荷を持っているので、高音側がプラスに、低温側がマイナスに帯電し、高温側と低温側の間に電場が生じる。この電場は、高温側から低温側に移動する自由電子に逆向きの力を与えるので、やがて熱拡散による力と電場による力が釣り合い、自由電子の移動が止まる。この自由電子の移動が止まった状態(平衡状態)における、高温側と低温側の電位差が熱起電力である。

種類の異なる2つの金属線の両端を接合して(接合したものは熱電対と呼ばれる)、温度差を与えると、自由電子の移動速度が2つの金属で異なるので、電位差が生じて電流が流れ続ける(同じ種類の2つの金属線を接合した場合は、両端が帯電するだけで電流は流れない)。この温度差と電位差の関係は金属の種類により一意の関係があるので、温度測定に利用されている。

また、低い抵抗を測定する際に、以下のように電流を反転して測定することにより、熱起電力の影響を除去できる。

抵抗(Rx)を測定するには、測定器の端子にサンプルからのリード線を接続して、電流(I)を流して端子間の電圧(V_f)を測定する。端子とリード線の接続部分が2箇所あり、それぞれの部分の温度が異なると、熱起電力(Ve)が生じるので、測定される電圧(V_f)は、サンプルの抵抗による電圧降下I×RxとVeの和として、

V_f=I×Rx+Ve (1)

のように表される。次に電流の向きを反転して(Iを-Iに変更)、同様に端子間の電圧(-V_r)を測定すると、接続箇所の温度差のみで決まる熱起電力Veは変わらないので、

-V_r=-I×Rx+Ve (2)

となる。(1)式と(2)式から、

V=(V_f-(-V_r))/2=I×Rx

なので、電流Iを順方向と逆方向に流したときのサンプルの端子間電圧(V_fとV_r)を測定することにより、熱起電力の影響を除去して抵抗(Rx)を測定できる。

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