半導体10【電験3種 理論】熱電対の熱起電力・温接点と冷接点（ゼーベック効果）を判別する！令和3年度 A問題5 完全解説

今回は令和3年度 理論科目 A問題5を解説します。熱電対の二つの接合点に温度差を与えたときに生じる現象・起電力の名称、および高温側・低温側の接点の呼び方を問う穴埋め問題です。

熱電対は異なる2種類の金属を接合したもので、接合点に温度差を与えるとゼーベック効果により熱起電力が発生します。高温側を温接点、低温側を冷接点と呼ぶことを押さえれば解けます。

令和3年度 理論科目 A問題5：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和3年度 第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題5

電験3種 理論科目 【電子理論（半導体等）】 令和3年度 A問題5

　次の文章は、熱電対に関する記述である。

　熱電対の二つの接合点に温度差を与えると、起電力が発生する。この現象を(ア)効果といい、このとき発生する起電力を(イ)起電力という。熱電対の接合点の温度の高いほうを(ウ)接点、低いほうを(エ)接点という。

上記の記述中の空白箇所(ア)〜(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

	(ア)	(イ)	(ウ)	(エ)
(1)	ゼーベック	熱	温	冷
(2)	ゼーベック	熱	高	低
(3)	ペルチェ	誘導	高	低
(4)	ペルチェ	熱	温	冷
(5)	ペルチェ	誘導	温	冷

出題のポイント：効果の名前と接点の呼び名

2種類の金属をつないで、両端の接合点に温度差を与えると起電力が発生——これがゼーベック効果です。温度を電圧に変える現象で、温度計として広く使われています。

接合点の呼び名も問われています。温度の高いほうが「温接点」、低いほうが「冷接点」——「高接点・低接点」という言い方は存在しません。

この起電力を「熱起電力」と呼びます。「誘導起電力」は電磁誘導によるもので、熱電対とはまったく別の現象です。

解説：4つの空欄を順に埋める

空欄	答え	根拠
(ア)	ゼーベック	温度差から起電力を生む現象
(イ)	熱	熱によって生じる起電力＝熱起電力
(ウ)	温	温度の高いほう＝温接点
(エ)	冷	温度の低いほう＝冷接点

(ア)でペルチェを選ばないようにしてください。ペルチェ効果は「電流を流すと熱が出入りする」——ゼーベックとちょうど逆向きの現象です。

(イ)の「誘導起電力」は電磁誘導です。コイルを磁界中で動かすと生じるもので、温度とはまったく関係ありません。

誤答の正体：ゼーベックとペルチェを逆にする

選択肢	(ア)	(イ)	(ウ)(エ)	判定
(1)	ゼーベック	熱	温・冷	◎
(2)	ゼーベック	熱	高・低	×（呼び名が誤り）
(3)	ペルチェ	誘導	高・低	×
(4)	ペルチェ	熱	温・冷	×（効果名が誤り）
(5)	ペルチェ	誘導	温・冷	×

(2)が最も惜しい誤答です。(ア)(イ)は正しいのに、接点の呼び名が「高・低」——正式には「温接点・冷接点」です。用語の正確さが問われています。

(4)は効果名だけの誤りです。「温度差 → 起電力」はゼーベック——ペルチェは逆向きだと覚えてください。

☝️ ひっかけの作り方：接点の呼び名は「温接点」「冷接点」です。「基準接点」という呼び方もあります（冷接点のこと）が、「高接点」「低接点」とは言いません。

深掘り①：3つの熱電気現象を対比する

熱と電気が関係する現象は3つあります。名前と内容をセットで覚えておきましょう。

効果	内容	向き	用途
ゼーベック効果	温度差 → 起電力	熱 → 電気	熱電対（温度測定）・熱電発電
ペルチェ効果	電流 → 熱の吸収・発生	電気 → 熱	ペルチェ素子（電子冷却）
トムソン効果	温度勾配のある1本の導体に電流 → 熱の吸収・発生	電気 → 熱	—

ゼーベックだけが「熱 → 電気」——残る2つは「電気 → 熱」です。この向きの違いで区別できます。

ペルチェ素子は、電流を流すと片面が冷えて反対面が熱くなるデバイスです。小型冷蔵庫やCPUクーラー、車載クーラーボックスなどに使われています。電流の向きを逆にすれば、冷却と加熱が入れ替わります。

深掘り②：熱電対の実務

熱電対は工業用温度計の主力です。金属の組合せによって、測定範囲と特性が変わります。

記号	組合せ	測定範囲	特徴
K	クロメル／アルメル	−200〜1200 ℃	最も一般的・安価
T	銅／コンスタンタン	−200〜350 ℃	低温で精度が高い
R	白金ロジウム／白金	0〜1600 ℃	高温・高精度だが高価

熱電対は「温度差」しか測れません。だから片方（冷接点）の温度を知る必要があります——氷水（0 ℃）に浸すか、電子回路で補償します。

この「冷接点補償」が実務上の要点です。現代の計測器では、冷接点の温度をサーミスタで測って自動補正しています。

深掘り③：熱電発電という応用

ゼーベック効果は発電にも使えます。温度差さえあれば電気が得られる——可動部がないので故障しにくいのが利点です。

用途	熱源	特徴
宇宙探査機（RTG）	放射性同位体の崩壊熱	数十年動き続ける
工場の廃熱利用	炉や配管の余熱	捨てていた熱から発電
体温発電	人の体温と外気の差	ウェアラブル機器向け

ボイジャー探査機は打ち上げから40年以上、熱電発電で動き続けています。太陽から遠すぎて太陽電池が使えないため、プルトニウムの崩壊熱を電気に変えています。

変換効率は数 %と低いのが弱点です。それでも「可動部がない」「メンテナンス不要」という利点が、特殊な用途では決定的になります。

出題履歴：熱電気現象は用語問題の定番

ゼーベック効果とペルチェ効果の区別は、数年に一度は問われるテーマです。計算がなく、知っていれば30秒で解ける——取りこぼしたくない1問です。

この分野はほぼ毎年どこかで出題されます。手を動かして解ける状態にしておけば、本番で確実に得点できます。

あわせて解いておきたい記事：【理論】令和5年度上期A問題12（ゼーベック効果）

深掘り④：熱電対はなぜ「小さな電圧」しか出ないのか

熱電対の出力は、100 ℃の温度差でもわずか数ミリボルトです。K形熱電対なら約41 µV/℃——1000 ℃の差でようやく約41 mVにしかなりません。

熱電対	ゼーベック係数	100 ℃差での出力
K形（クロメル／アルメル）	約41 µV/℃	約4.1 mV
T形（銅／コンスタンタン）	約43 µV/℃	約4.3 mV
R形（白金ロジウム／白金）	約10 µV/℃	約1.0 mV

これほど小さい電圧なので、増幅回路とノイズ対策が欠かせません。配線にはシールド線を使い、補償導線で計器まで引く——途中で別の金属を挟むと、そこにも熱起電力が発生してしまうからです。

「補償導線」は熱電対と同じ熱起電力特性を持つ電線です。高価な熱電対材を長く引かずに済む——実務では必ず使われます。

出力が小さい代わりに、熱電対には大きな利点があります。電源が要らない、応答が速い、広い温度範囲、丈夫——だから工業計測の主力であり続けています。

まとめ

(ア)	ゼーベック効果
(イ)	熱起電力
(ウ)(エ)	温接点・冷接点
答え	(1)

▼あわせて解きたい関連問題
・ゼーベック効果（半導体7）：【理論】令和5年度上期 A問題12