Thermoelektrische Effekte von Seebeck, Peltier und Thomson

Der Betrieb thermoelektrischer Kühlschränke und Generatoren basiert auf thermoelektrischen Phänomenen. Dazu gehören der Seebeck-, der Peltier- und der Thomson-Effekt. Diese Effekte beziehen sich sowohl auf die Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie als auch auf die Umwandlung elektrischer Energie in kalte Energie.

Die thermoelektrischen Eigenschaften von Drähten beruhen auf den Verbindungen zwischen Wärme und elektrischen Strömen:

• Seebeck-Effekt – Entstehung Thermo-EMF in einer Kette aus unebenen Drähten mit unterschiedlichen Temperaturen ihrer Abschnitte;
• Peltier-Effekt – Absorption oder Freisetzung von Wärme am Kontakt zweier verschiedener Leiter, wenn ein elektrischer Gleichstrom durch sie fließt;
• Thomson-Effekt – Absorption oder Freisetzung von Wärme (Super-Joule) im Volumen eines Leiters beim Durchgang durch einen Pol, elektrischer Strom bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten.

Zu den kinetischen Phänomenen zählen Seebeck-, Peltier- und Thompson-Effekte. Sie hängen mit den Prozessen der Ladungs- und Energiebewegung zusammen und werden daher oft als Übertragungsphänomene bezeichnet.Gerichtete Ladungs- und Energieflüsse in einem Kristall werden durch äußere Kräfte erzeugt und aufrechterhalten: elektrisches Feld, Temperaturgradient.

Richtungsströmung von Teilchen (insbesondere Ladungsträgern – Elektronen und Löcher) tritt auch in Gegenwart eines Konzentrationsgradienten dieser Partikel auf. Das Magnetfeld selbst erzeugt keine gerichteten Ladungs- oder Energieflüsse, sondern beeinflusst die durch andere äußere Einflüsse erzeugten Flüsse.

Seebekov-Effekt

Der Seebeck-Effekt besteht darin, dass, wenn in einem offenen Stromkreis, der aus mehreren unterschiedlichen Leitern besteht, einer der Kontakte die Temperatur T1 (heiße Verbindungsstelle) und der andere die Temperatur T2 (kalte Verbindungsstelle) aufrechterhält, und zwar unter der Bedingung, dass T1 nicht gleich T2 ist An den Enden entsteht im Stromkreis eine thermoelektromotorische Kraft E. Wenn die Kontakte geschlossen sind, entsteht im Stromkreis ein elektrischer Strom.

Seebekov-Effekt:

Bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten im Leiter erfolgt der thermische Diffusionsfluss der Ladungsträger vom heißen Ende zum kalten Ende. Ist der Stromkreis geöffnet, sammeln sich am kalten Ende Ladungsträger an, die ihn negativ aufladen, wenn es sich um Elektronen handelt, und positiv, wenn es sich um Lochleitung handelt. In diesem Fall verbleibt die unkompensierte Ionenladung am heißen Ende.

Das resultierende elektrische Feld verlangsamt die Bewegung der Ladungsträger zum kalten Ende und beschleunigt die Bewegung der Ladungsträger zum heißen Ende. Die durch den Temperaturgradienten gebildete Nichtgleichgewichtsverteilungsfunktion verschiebt sich unter Einwirkung des elektrischen Feldes und verformt sich teilweise. Die resultierende Verteilung ist so, dass der Strom Null ist. Die Stärke des elektrischen Feldes ist proportional zum Temperaturgradienten, der es verursacht hat.

Der Wert des Proportionalitätsfaktors und sein Vorzeichen hängen von den Eigenschaften des Materials ab. Nur in einem Stromkreis aus unterschiedlichen Materialien ist es möglich, das elektrische Seebeck-Feld zu erfassen und die thermoelektromotorische Kraft zu messen. Unterschiede in den potenziellen Kontakten entsprechen dem Unterschied in den chemischen Potenzialen der Materialien, die in Kontakt kommen.

Peltier-Effekt

Der Peltier-Effekt besteht darin, dass beim Fließen eines Gleichstroms durch ein Thermoelement, das aus zwei Leitern oder Halbleitern besteht, an der Kontaktstelle eine bestimmte Wärmemenge abgegeben oder absorbiert wird (abhängig von der Richtung des Stroms).

Wenn sich Elektronen durch einen elektrischen Kontakt von einem p-Typ-Material zu einem n-Typ-Material bewegen, müssen sie eine Energiebarriere überwinden und dazu Energie aus dem Kristallgitter (Kaltübergang) entziehen. Umgekehrt geben Elektronen beim Übergang von einem n-Typ-Material zu einem p-Typ-Material Energie an das Gitter ab (heiße Verbindung).

Peltier-Effekt:

Thomson-Effekt

Der Thomson-Effekt besteht darin, dass beim Fließen eines elektrischen Stroms durch einen Leiter oder Halbleiter, in dem ein Temperaturgradient entsteht, zusätzlich zur Jouleschen Wärme eine bestimmte Wärmemenge abgegeben oder absorbiert wird (abhängig von der Richtung des Stroms).

Der physikalische Grund für diesen Effekt hängt mit der Tatsache zusammen, dass die Energie freier Elektronen von der Temperatur abhängt. Dann erhalten die Elektronen in der heißen Verbindung eine höhere Energie als in der kalten. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Dichte freier Elektronen zu, was zu einem Elektronenfluss vom heißen Ende zum kalten Ende führt.

Die positive Ladung sammelt sich am heißen Ende und die negative Ladung am kalten Ende. Die Umverteilung der Ladungen verhindert den Elektronenfluss und stoppt ihn ab einer bestimmten Potentialdifferenz vollständig.

Die oben beschriebenen Phänomene treten in ähnlicher Weise bei Stoffen mit Lochleitung auf, mit dem einzigen Unterschied, dass sich am heißen Ende negative Ladung ansammelt und am kalten Ende positiv geladene Löcher. Daher erweist sich der Thomson-Effekt für Stoffe mit gemischter Leitfähigkeit als vernachlässigbar.

Thomson-Effekt:

Der Thomson-Effekt hat keine praktische Anwendung gefunden, kann jedoch zur Bestimmung der Art der Verunreinigungsleitfähigkeit von Halbleitern verwendet werden.

Praktische Anwendung von Seebeck- und Peltier-Effekten

Thermoelektrische Phänomene: Seebeck- und Peltier-Effekte – finden praktische Anwendung in maschinenlosen Wandlern von Wärme in elektrische Energie – Thermoelektrische Generatoren (TEG), in Wärmepumpen – Kühlgeräten, Thermostaten, Klimaanlagen, in Mess- und Regelsystemen wie Temperatursensoren, Wärmefluss (siehe – Thermoelektrische Wandler).

Das Herzstück thermoelektrischer Geräte sind beispielsweise spezielle Halbleiterelemente-Wandler (Thermoelemente, thermoelektrische Module) wie TEC1-12706. Lesen Sie hier mehr: Peltier-Element – ​​wie es funktioniert und wie man es prüft und anschließt