Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien

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Elke Bösch
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1 Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische (Seebeck-Effekt) [1] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 1

2 1. Seebeck-Effekt 1.1 Einführung 1.2 Theorie 1.3 Anwendung Thomas Johann Seebeck ( ) 2. Peltier-Effekt 2.1 Einführung 2.2 Theorie 2.3 Anwendung [2] Jean Charles Athanase Peltier 3. Zusammenfassung ( ) 4. Quellen [3] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 2

3 1. Seebeck-Effekt: 1.1 Einführung wurde 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt Definition: Wird ein elektrischer Leiter an seinen Enden unterschiedlich stark erwärmt, so entsteht eine Thermospannung. Voraussetzungen: - elektrischer Leiter (Halbleiter, Metall) - Temperaturgradient Beobachtung: - Thermospannung Ursache: - Thermodiffusion Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 3

4 1.2 Theorie Bändermodell: - Bindung mit Hilfe der MO-Theorie - im Kristall erfolgt durch Wechselwirkung der Atome eine Aufspaltung der Energieniveaus es entstehen Bänder [4] - mit e - besetztes Band = Valenzband - unbesetztes Band = Leitungsband - beim Leiter: keine Bandlücke - beim Halbleiter: 0eV < Bandlücke < 4eV - beim Isolator: Bandlücke > 4eV [5] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 4

im Leiter sind Elektronen gleichmäßig verteilt führen ungeordnete Wärmebewegung aus Stabenden auf unterschiedlicher Temperatur Teilchen haben unterschiedliche kin.

5 im Leiter sind Elektronen gleichmäßig verteilt führen ungeordnete Wärmebewegung aus Stabenden auf unterschiedlicher Temperatur Teilchen haben unterschiedliche kin. Energie Elektronen, welche von warm nach kalt laufen besitzen höhere Geschwindigkeit mittlerer Geschwindigkeitsvektor immer in Richtung des kalten Endes gerichtete Bewegung = Thermodiffusion [6] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 5

6 Thermoelement: -zwei Leiter (grün, rot) sind über zwei Lötstellen verbunden - Kontaktspannung aufgrund unterschiedlicher chemischer Potentiale (Elektronen diffundieren vom Ort mit höherem zum Ort mit niedrigeren Potential) - da die Summe der Potentialänderungen über alles gleich null, gibt die Kontaktspannung keinen Beitrag zur Thermospannung Thermodiffusion erzeugt Thermospannung [7] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 6

7 Spannung wird stromlos gemessen - Diffusionsspannungen sind Materialspezifisch - Pfeile geben Richtung des elektrischen Feldes an Thermodiffusionsspannungen [8] thermoelektrischer Kreisstrom - Material mit größerer Thermodiffusionsspannung bestimmt Spannungsrichtung - Stromrichtung entgegengesetzt zur Spannungsrichtung Berechnung der Thermospannung: U thermo = ( S S ) ( ) B A T 2 T 1 S i Seebeck-Koeffizient Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 7 [9]

8 Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten Seebeck-Koeffizient [µv/k] [10] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 8

9 Thermoelektrische Effektivität κ [11] Z = S 2 σ κ Z thermoelektrische Effektivität S Seebeck-Koeffizient σ elektrische Leitfähigkeit κ Wärmeleitfähigkeit Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 9

10 thermoelektrische Gütezahl (ZT) [12] Temperatur [K] Z T 300K = 3, Beispiel: Bi 2 Te 3 ( ) K Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 10

11 1.3 Anwendungen Thermoelemente: - Temperaturmessung bis 3300K - Spannungsdifferenzen müssen annähernd linear zunehmen - keine Beeinflussung des Messobjektes - schnelles Ansprechen - Empfindlichkeit:10-5 bis 10-4 V/K [13] Unterscheidung von n- und p-leitung in Halbleitern Thermogeneratoren: - Raumfahrt (radioaktiver Zerfall liefert Wärme) - Auto (Abgas- und Motorwärme) Effektivität und Empfindlichkeit wird durch Thermosäulen erhöht (mehrere seriell geschaltete Materialpaare erhöht) [14] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 11

Unterscheidung von n- und p-leitung n-leitung: - Fremdatom mit mehr Valenzelektronen als Atome des Wirtgitters - freie Elektronen - Leitung vorwiegend im Leitungsband Elektronenleitung p-leitung: -

12 Unterscheidung von n- und p-leitung n-leitung: - Fremdatom mit mehr Valenzelektronen als Atome des Wirtgitters - freie Elektronen - Leitung vorwiegend im Leitungsband Elektronenleitung p-leitung: - Fremdatom mit weniger Valenzelektronen als Atome des Wirtgitters - einige Bindungen unbesetzt - positive Löcher - Leitung vorwiegend im Valenzband Löcherleitung [15] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 12

13 2. Peltier-Effekt: 2.1 Einführung wurde 1834 von Jean Charles Athanase Peltier entdeckt Umgekehrte Verhältnisse wie beim Seebeck-Effekt (Strom Wärme) Definition: Voraussetzungen: Werden zwei elektrische Leiter jeweils an den Enden zu einem Stromkreis verbunden und wird ein Gleichstrom angelegt, so kühlt sich eine Kontaktstelle ab und die andere erwärmt sich. Durch Umpolen des Stroms lassen sich die warme und kalte Kontaktstelle vertauschen. - zwei elektrische Leiter (Halbleiter, Metall) - Gleichstrom Beobachtung: - Temperaturunterschied an Kontaktstellen Ursache: - Thermodiffusion Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 13

14 2.2 Theorie Strom wird angelegt, Elektronen führen eine gerichtete Bewegung aus nicht alle Leitungselektronen besitzen die selbe Geschwindigkeit Elektronen mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit gelangen mit geringerer Geschwindigkeit in das Material mit höherer Elektronenbeweglichkeit; Energieaufnahme durch Stöße Abkühlung der Kontaktstelle (entgegengesetzter Übergang: Erwärmung) [16] Berechnung des Wärmestroms: Q& = Π AB I Π AB Peltier-Koeffizient Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 14

15 2.3 Anwendungen [17] Kühlmodule - kleine Kühlschränke / transportierbare Kühlboxen - Kühlfächer in Autos - Kühlung von wissenschaftlichen Geräten - exotische Anwendung: Autositzkühlung - Mikroprozessorkühlung in PCs Vorteile: - Kompaktheit - genaue Einstellung der Temperatur - keine beweglichen Teile - geräuschlos - vibrieren nicht (im Gegensatz zu Kompressor-Kühlern) Nachteil: - schlechter Wirkungsgrad (3-8%) [18] Peltier-Element Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 15

16 3. Zusammenfassung Seebeck-Effekt: - Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie - Ursache ist die Thermodiffusion - S i Seebeck-Koeffizient Peltier-Effekt: - Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie - Ursache ist die Thermodiffusion - Π AB Peltier-Koeffizient : - Blei-, Zinn-, Germanium-, Bismuth-, Tellur- und Selenverbindungen (Bi 2 Te 3, Sb 2 Te 3 ) Probleme: - Joulesche Wärme - Wärmeleitung (meiste elektr. Leiter auch gute Wärmeleiter) Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 16

17 Thermoelektrische Spannungsreihe, bezogen auf Platin: Bezugstemperatur 0 C, Temperaturdifferenz 100K [16] Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 17

18 4. Quellen Rolf Pelster, Reinhard Pieper, Ingo Hüttl, PhyDid, 2005, 1/4, S Mortimer Ch., Chemie, 1996, 6. Auflage, Georg Thieme Verlag, S. 469ff. Stroppe H, Physik, 2008, 14. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, S. 236ff [1] [2] [3] [4] [5] [6], [7], [8], [9], [15] Rolf Pelster, Reinhard Pieper, Ingo Hüttl, PhyDid, 2005, 1/4, S [10] [11], [12], [17] [13] 300px.jpg [14] [16] [18] [19] Dietmar Mende, Günter Simon, Physik Gleichungen und Tabellen, 2005, 14. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, S.221 Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 18

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