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【電験攻略】ゼーベック、ペルチェ、ホール、ピンチ、ピエゾ効果を押さえる

【2019年10月14日追記】

 

お疲れさまです。

 

桜庭裕介です。


電験1種2種二次試験対策プロジェクト(電験勉強の完全マップ|全分野の基礎・応用を徹底解説【点を取ろう】 - 電験合格からやりたい仕事に就く)も順調にスタートを切ることができました。



時間ができたので、本記事の追記をがっつり行いました。より理解しやすいようになったと思います。

 

この記事は「点を取る記事」なので、定義だけはきっちり覚えて下さい。

 

電験で戸惑いがちな効果まとめ
ゼーベック|ペルチェ|ホール|ピンチ|ピエゾ

【2019年8月10日追記】
ピエゾ効果を分かりやすく修文

【2019年6月19日追記】

googleオススメ記事およびsmart newsオススメ記事に掲載されました。社会の皆様のお役に立てたことを心から嬉しく思います。

 

今回の記事では、電験学習を続けていくと

「よくわからないぞ」

となる現象たちを解説していく。


電験で「効果」とつくものは下記の5つだ。


①ゼーベック効果
②ペルチェ効果
③ホール効果
④ピンチ効果
⑤ピエゾ効果

 

はじめに

上記の5つの効果は、電験3種、電験2種1種の一次試験で、過去に出題されたことがある。

そのため、現象の特徴だけは必ず覚えておくこと。


無駄な失点を防ぐコツだ。


本題に入る前に、もう一つ大切なことを伝えておく。



「今回紹介する知識は、電気技術者を仕事とするのであれば、必ずどこかで役に立つ」




分かりやすく言葉を変えると


「必ずどこかで出会う知識たち」


何が言いたいかと言うと、電験を機に勉強しておくことは決して無駄にはならないということだ。

 

各効果について、紹介していく。


なお、現象毎に発見の経緯を記載しておいた。物理の豆知識の本で知ったことをまとめたものだ。意外と面白いし、忘れにくくなる。
(実際、海外に仕事に行った時、物理学を発見した人のことを書いた本をその人の出身国で読んだ。すごく親近感が湧くと共に、何か圧倒されるものを感じた。)

 

ゼーベック効果

定義
「2種類の金属線の両端を接合したとき、接合部の温度に違いがあると、熱起電力が発生し、電流が流れる現象」

 

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応用:熱電対
(製品として温度計、温度センサー等がある)
「起電力を測定することで温度を測定することができる」


発見の経緯
「エストニアの物理学者のトーマス・ゼーベックが偶然発見した。ゼーベックは元々医業をしていた。その傍らで物理実験をしているといった努力家である。(この時点で既に凄すぎる)光学の研究を主に行っていて、10年以上様々な研究をしていく中で、銅や他の金属の両端を結んでリングにしたとき、片方の接合部を熱すると、両端間に電圧が発生することに偶然気が付いた。(この発想は普通ではない。普通やらない。)ここからさらに研究を続け、2種類の金属からなるループの接点に温度差を設けると、そばにあった方位磁針の針が振れることも発見した。これらのことから、2種類の金属を繋ぎ合わせて、ループを作り、温度差を設けてやれば、ループ内に電流が流れ、磁場が発生することをまとめあげ、理論化したのである。(常人では異金属を繋いで温めたりはしない。凄い)」

 

ペルチェ効果

定義
「異金属を接合した部分に電圧をかけて電流を流すことで生じる「熱の吸収現象」または「放出現象」」
ゼーベック効果の反対の現象と覚えておこう。

 

応用:パソコンのCPU冷却装置
※冷媒を使用しないことからソリッドヒートポンプとも呼ばれ、ノンフロン冷却技術で注目されている


発見の経緯
「フランスの物理学者のジャン=シャルル・ペルティエが発見した。トーマス・ゼーベックがゼーベック効果を発見してから約10年後にペルチェ効果を発見している。ペルティエはもともと時計職人だったが、研究調査に専念するため、30歳の時に仕事をやめている。(正気の沙汰ではない。自分が研究のために仕事を辞めると言ったら、許されないだろう)」

海外サイトくらいでしか良い情報がなかった。(サーバーが重く、閲覧できないことがあるが、内容自体はいいサイト)Jean-Charles-Athanase Peltier - MagLab

また海外に行く機会がある方は、図書館に立ち寄ってみるといい。海外は日本と比較して、物理学者が多いこともあり、沢山資料がある。また称える文化も相まって、言葉はつなくて申し訳ないが「凄い人」「偉人」なんだなといった感覚を味わうことができるだろう。

 

ホール効果

定義
「コイルに電流が流れているとき、そのコイルに垂直の磁場をかけると、電流にも磁場にも直交する方向に起電力が生じる現象」
 
※フレミングの左手の法則と混乱しやすい。
気になる方のために分かりやすく解説しておく。

簡単に言うと、ホール効果とは電子が偏る現象のことである。

①磁場により電子は力(ローレンツ力)を受ける。力を受けたことで、電子は偏る
②偏ることにより、コイルを横断する電界が発生する(ホール電場)


<電線の断面図>

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応用:磁気センサ、ホールセンサ(磁束密度に比例した電圧を検知できる)

発見の経緯
「エドウィン・ハーバート・ホールがホール効果を発見した。大学在学中(博士論文作成中)に本効果を発見したという凄い方である。最初の実験として知られているのは「薄い金箔をガラス板に張りつけて強力な磁場の中に置く」といったもの。磁場と垂直方向に通電した状態で、金箔各部で生じる電位差を測定した。この実験で、磁場のない環境下では等電位の部分が磁場によって電位差(ホール電圧)が生じることを示すことができた。さらに、ホール電圧は通電した電流および磁場の強さ(磁束密度)に比例することまで発見した

 

 

ピンチ効果

定義
「導体に電流を流したとき、アンペアの右ねじの法則に従って、導体断面に磁界ができ、この磁界が電流を締め付けるように働き、導体がくびれ収縮する現象」
 

応用:プラズマジェット
※プラズマ中に流れる電流が大きくなると、取り巻く磁場も強くなり、プラズマが締め付けられて、中心部に圧縮されるといった現象を利用したジェット。高温で細いジェット。


発見の経緯
「アメリカの量子物理学者のルイトンクスが発見した。もともとプラズマの研究をしていて、アーク放電の研究中に固有振動現象を見つけ、それをプラズマ振動と名付けた。この研究を続ける中で、ピンチ効果を発見した。」

 

ピエゾ効果

定義
「圧電効果とも言う。物質に圧力を加えると、圧力に比例した分極(電圧)が生じる現象のこと。(逆に電圧をかけると、物質が変形するがその現象は逆圧電効果という)
 

※圧電素子の結晶構造が影響する。中学校の授業で、圧電素子を押すとブザーがなるといったことをやったと思うが、それを思い出すのが一番イメージがつきやすいだろう。

また下記の画像も分かりやすい。

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(引用先:https://hr-inoue.net/zscience/topics/dielectric2/dielectric2.html


応用:センサー(圧電素子として)、ソナー、圧電ブザー

発見の経緯
「ピエゾ効果を発見するまでに多くの人が関わっているが、最後にまとめあげたのがウォルデマール・ボイツと言われている。最初はキュリー兄弟が実験し始めたと言われているので圧電効果の歴史は深い。

 

まとめ

以上、「ゼーベック効果、ペルチェ効果、ホール効果、ピンチ効果、ピエゾ効果を押さえる」の記事となります。

文字だけを暗記すると、覚えにくいです。背景も知っておくと、忘れにくくなるのでサラッと読んでおくことをお勧めします。

今日もお疲れ様でした。
皆さまのお役に立てることを願っています。引き続き、電験勉強頑張りましょう!!!

 

こちらも読んで知識を深めておこう

「水トリ―現象」をテーマにした記事だ。

簡単に覚えられるようにまとめました。
電験3種、2種1種の一次試験二次試験でも役立つ知識です。こういった知識はまとめて覚えておくと試験本番で得をするでしょう。

 

電験を取得しようと考えている方へ

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必要な知識を吸収して頂ければと思います。

 

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