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ThermoelektrizitätUnter Thermoelektrizität versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung in einander. Seebeck-Effekt (auch thermoelektrischer Effekt), Peltier-Effekt und Thomson-Effekt beschreiben jeweils eine umkehrbare Wechselwirkung zwischen den beiden physikalischen Größen. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Seebeck-EffektBeim Seebeck-Effekt entsteht zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters, die eine verschiedene Temperatur haben, eine elektrische Spannung. Dieser Effekt wird bei Thermoelementen und thermoelektrischen Generatoren angewendet. Die Spannung entsteht durch Thermodiffusionsströme: mit Der Seebeck-Koeffizient hat die Dimension einer elektrischen Spannung pro Temperaturdifferenz (V/K). Technisch lässt sich dieser Effekt so zunächst nicht anwenden, da die Abgriffpunkte für die Spannung i. A. auf gleicher Temperatur sind und somit zwei Temperaturgradienten existieren, die sich in Ihrer Wirkung gegenseitig aufheben.
mit Wie man sieht, ist die entstehende Spannung unabhängig von der Umgebungstemperatur und lediglich von der Temperaturdifferenz (TH − TC) der Kontaktstellen abhängig. Der Seebeck-Effekt beschreibt ausschließlich die Entstehung dieser Spannung. Ein durch äußere Beschaltung entstehender Stromfluss ist nicht Teil dieses Effektes und folgt lediglich aus dem Ohmschen Gesetz. Der Stromfluss bewirkt einen geänderten Wärmetransport über die Verbindungsstellen (Peltier-Effekt). Der Seebeck-Effekt beschreibt dabei die Quellenspannung, der Innenwiderstand wird lediglich durch den elektrischen Widerstand der Materialien begrenzt. Daher können mit Thermoelementen bei entsprechender Geometrie sehr hohe Ströme erzeugt werden. Thomas Johann Seebeck entdeckte zufällig, dass zwischen zwei Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. Nach dem Verbinden beider Enden floss ein elektrischer Strom, dessen Magnetfeld er mit einer Kompassnadel nachwies. Es gelang Thomas Johann Seebeck 1821, diesen Effekt in einem ersten Thermoelement auszunutzen. Thermoelemente aus Metallen wandeln thermische Energie jedoch nur sehr ineffizient in elektrische Energie um, sie werden daher nur zur Temperaturmessung eingesetzt. Zurzeit strebt man danach, solche thermoelektrische Generatoren verstärkt auch zur Nutzung von Abwärme, z. B. in KFZ, Blockheizkraftwerken, Abwasseranlagen oder Müllverbrennungsanlagen einzusetzen. Peltier-EffektBeim Peltier-Effekt liegen gegenüber dem Seebeck-Effekt umgekehrte Verhältnisse vor - ein äußerer Stromfluss bewirkt eine Änderung des Wärmetransportes. Der Peltier-Effekt tritt auf, wenn zwei Leiter mit unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazitäten in Kontakt gebracht werden und durch einen von außen angelegten elektrischen Strom Elektronen aus dem einen Leiter in den anderen fließen. 1. Fließt ein Strom aus dem Material mit den höherenergetischen Elektronen in den Leiter mit den niederenergetischen Elektronen, so geben die höherenergetischen Elektronen durch Stöße ihre Energie an die niederenergetischen Elektronen ab, welche dadurch selbst an Energie zunehmen. Dieser Energiezuwachs ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Temperatur. 2. Fließen niederenergetische Elektronen in den Leiter mit den höherenergetischen Elektronen, so geben wiederum die höherenergetischen Elektronen durch Stöße ihre Energie an die niederenergetischen Elektronen ab. Dadurch verlieren die höherenergetischen Elektronen generell an Energie, was eine Verringerung der Temperatur bedeutet. Mit geeigneten Materialien gelingt es dadurch in Peltier-Elementen, mit elektrischem Strom beispielsweise zur Kühlung Temperaturdifferenzen zu erzeugen oder umgekehrt aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen. Die technische Anwendung zur Kühlung ist durch die phononische Wärmeleitung begrenzt, sie bewirkt insbesondere bei großen Temperaturdifferenzen einen entgegengerichteten Wärmestrom, der etwa ab 70 K den durch den Stromfluss hervorgerufenen Wärmestrom aufhebt. Thomson-Effekt(nicht zu verwechseln mit dem Joule-Thomson-Effekt oder dem Gibbs-Thomson-Effekt) Der Thomson-Effekt, benannt nach William Thomson, 1. Baron Kelvin 1856, beschreibt den geänderten Wärmetransport entlang eines stromdurchflossenen Leiters, in welchem ein Temperaturgradient vorliegt. Jeder stromdurchflossene Leiter mit einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten wird, abhängig vom Metall, entweder mehr oder weniger Wärme transportieren, als er dies ohne Stromfluss aufgrund der Wärmeleitfähigkeit täte. Eine Stromdichte J in einem homogenen Leiter verursacht eine Wärmeleistung pro Volumeneinheit von: wobei ρ Spezifischer Widerstand des Materials dT/dx Temperaturgradient im Leiter μ Thomson-Koeffizient Der erste Ausdruck ρ J ist die irreversible Joule'sche Erwärmung. Der zweite Term ist die Thomson-Wärme, deren Vorzeichen mit der Richtung des Stromes wechselt. Für den Thomson-Effekt gibt es noch keine technische Anwendung. Neuere EntwicklungenDie Wirkungsgrade von Peltier- und Seebeck-Elementen sind trotz aller Forschungsprogramme niedrig geblieben. Der schlechte Wirkungsgrad kommt durch die ungewollte Wärmeleitung zwischen den Metallen bzw. Halbleitern zustande. Ein neuerer Ansatz, diese zu unterbinden, verfolgt das Thermotunneling-Verfahren: Zwei Metalle werden durch einen minimalen luftleeren Spalt voneinander getrennt. Die Wärmeleitung über Gitterschwingungen wird so vollständig unterbunden. Der Vakuum-Spalt ist jedoch nur so breit, dass einzelne Elektronen über diesen Spalt quantenmechanisch „tunneln“ können. Auf den ersten Blick scheint diese Unterbrechung der phononischen Wärmeleitung, d. h. die Wärmeleitung über Gitterschwingungen, äußerst effizient zu sein. Bei einer Spaltgröße, welche ein quantenmechanisches Tunneln ermöglicht, sind die elektromagnetischen Kräfte jedoch derart groß, dass eine nahezu ungehinderte Weiterleitung der Gitterschwingungen aufgrund von elektromagnetischer Kopplung stattfindet. Bei üblichen Temperaturen, bei denen solche Elemente eingesetzt werden sollen, liegen die Wellenlängen der elektromagnetischen Emissionen im Bereich von einigen hundert Nanometern bis hin zu wenigen Mikrometern. Eine effiziente Entkopplung der Gitterschwingungen findet erst dann statt, wenn die Spaltgröße im Bereich der Wellenlängen liegt. Bei diesen Größen ist ein quantenmechanisches Tunneln jedoch praktisch nicht mehr möglich. Siehe auch
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Thermoelektrizität aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |