ゼーベック効果の原理と熱電対での温度計測とは

ゼーベック効果（Seebeck Effect）とは、異なる2種類の金属を接続し、それぞれの接点に温度差を与えると電圧（熱起電力）が発生する現象です。
この現象は1821年にドイツの物理学者トーマス・ヨハン・ゼーベックによって発見され、現在では熱電対による温度測定の基本原理として広く利用されています。

ゼーベック効果の原理図：金属棒に温度差を与えると電子が移動し、電圧（起電力）が発生するしくみ — ゼーベック効果のしくみ（温度差 → 電圧）

株式会社フォスターでは、自動車用コネクタ・ワイヤーハーネス・端子を対象とした信頼性評価試験を実施しています。
本ページは、実際に温度上昇試験や通電試験で熱電対を使用している経験をもとに、ゼーベック効果の原理や熱電対による温度測定の仕組みについて分かりやすく解説しています。

熱電対で温度が測定できる理由

熱電対は、ゼーベック効果を利用した温度センサです。
2種類の金属線を接続した測定接点を測定対象へ取り付け、もう一方の基準接点との温度差から発生する熱起電力を測定します。
測定器では、この熱起電力を温度へ換算することで測定温度を表示しています。
つまり、熱電対は温度を直接測定しているのではなく、発生した電圧を温度へ変換しているということになります。

熱電対の構成

熱電対は主に以下の部品で構成されています。

構成	内容
測定接点	温度を測定する部分
金属A	熱電対の一方の導体
金属B	熱電対のもう一方の導体
基準接点	温度基準となる接点
温度計・データロガー	熱起電力を温度へ変換

ゼーベック効果の物理的メカニズム

金属中の自由電子は温度が高い端では運動エネルギーが大きく、低温端へ拡散します。この電子移動が電位差を生じさせます（ゼーベック電圧 V = S·ΔT、S：ゼーベック係数 μV/K）。異種金属を接続すると各材料のゼーベック係数の差が熱起電力として観測されます。

V = S × ΔT

ここで V：熱起電力、S：ゼーベック係数（μV/K）、ΔT：測定接点と基準接点の温度差です。ゼーベック係数が大きい材料ほど、同じ温度差でも大きな起電力が得られます。

熱起電力の計算例

代表的なK型熱電対（クロメル－アルメル、実効ゼーベック係数約41μV/K）で、測定接点と基準接点の温度差が100Kの場合を計算すると、次のようになります。

V = 41μV/K × 100K = 約4,100μV（約4.1mV）
測定器はこの微小電圧を温度へ換算して表示します。電圧が小さいため、基準接点（冷接点）温度の補正が測定精度を左右します。

熱電対の種類	+ 線材料	− 線材料	使用温度範囲	感度（μV/℃）
K型（最汎用）	ニッケル-クロム合金	ニッケル-アルミ合金	−200〜1260℃	約41
T型（低温）	銅	コンスタンタン	−200〜370℃	約43
J型（汎用）	鉄	コンスタンタン	0〜760℃	約55
E型（高感度）	ニッケル-クロム	コンスタンタン	−200〜870℃	約68

熱電対を取り付ける際のポイント

正確な温度測定を行うためには、熱電対の取り付け方法も重要です。
主なポイントは以下のとおりです。

測定位置を統一する
熱電対を確実に固定する
通電へ影響を与えないよう配線する
熱容量の影響を最小限にする
外部からの放熱を考慮する
試験条件に合わせて適切な熱電対を選定する

コネクタ評価での熱電対活用

コネクタ端子の通電試験では、端子表面に熱電対（細線タイプ：φ0.1〜0.3mm）を固定して温度上昇を計測します。
熱電対自体が接触抵抗・接触荷重に影響を与えないよう、適切な固定方法（溶接・接着・クリップ）を選ぶことが精度確保の鍵です。

熱電対は自動車用コネクタの信頼性評価において広く使用されており、代表的な試験は以下のとおりです。

コネクタ端子や電線、バスバーなどへ熱電対を取り付け、通電中の温度変化を連続的に測定します。

株式会社フォスターの温度測定・評価サービス

株式会社フォスターでは、熱電対を用いた温度測定を含む各種信頼性評価試験を実施しています。熱電対の取付や試験回路の作成、通電中の温度測定、データ取得まで一貫して対応し、自動車用コネクタやワイヤーハーネスの温度上昇評価をサポートします。

熱電効果3種（ゼーベック・ペルチェ・トムソン）の相互関係

熱・温度電気（電圧・電流）高温低温

3効果を結ぶ「ケルビン（トムソン）の関係式」
ゼーベック（熱→電）とペルチェ（電→熱）は互いに逆過程で、3つの係数は次式で結ばれます。Π = S · Tτ = T · (dS/dT)

効果	入力	出力	エネルギー変換
ゼーベック	温度差 ΔT	電圧 V（V=S·ΔT）	熱 → 電気
ペルチェ	電流 I	熱の吸収／放出 Q（Q=ΠI）	電気 → 熱
トムソン	電流 I ＋温度勾配 ∇T	吸熱／発熱 q	電気＋熱勾配 → 熱