Thermoelektrische Phänomene sind ein eigenes Thema in der Physik, in dem sie sich überlegen, wie Temperatur Strom erzeugen kann, und letzteres zu einer Temperaturänderung führt. Eines der ersten entdeckten thermoelektrischen Phänomene war der Seebeck-Effekt.
Voraussetzungen zum Öffnen des Effekts
1797 entdeckte der italienische Physiker Alessandro Volta, der auf dem Gebiet der Elektrizität forschte, eines der erstaunlichen Phänomene: Er entdeckte, dass beim Kontakt zweier fester Materialien im Kontaktbereich eine Potentialdifferenz auftritt. Sie wird als Kontaktdifferenz bezeichnet. Physikalisch bedeutet diese Tatsache, dass die Kontaktzone unterschiedlicher Materialien eine elektromotorische Kraft (EMK) hat, die zum Auftreten eines Stroms in einem geschlossenen Stromkreis führen kann. Wenn nun zwei Materialien in einem Stromkreis verbunden sind (um zwei Kontakte zwischen ihnen zu bilden), erscheint auf jedem von ihnen die angegebene EMF, die die gleiche Größe, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Letzteres erklärt, warum kein Strom erzeugt wird.
Der Grund für das Auftreten von EMF ist ein unterschiedliches Fermi-Niveau (EnergieValenzzustände von Elektronen) in verschiedenen Materialien. Wenn letztere in Kontakt kommen, pendelt sich das Fermi-Niveau ein (bei einem Material sinkt es, bei einem anderen steigt es). Dieser Prozess tritt aufgrund des Durchgangs von Elektronen durch den Kontakt auf, was zum Auftreten einer EMF führt.
Es sei gleich darauf hingewiesen, dass der EMF-Wert vernachlässigbar ist (in der Größenordnung von einigen Zehntel Volt).
Entdeckung von Thomas Seebeck
Thomas Seebeck (deutscher Physiker) führte 1821, also 24 Jahre nach der Entdeckung der Kontaktpotentialdifferenz durch Volt, folgendes Experiment durch. Er verband eine Platte aus Wismut und Kupfer und platzierte eine Magnetnadel daneben. In diesem Fall trat, wie oben erwähnt, kein Strom auf. Doch sobald der Wissenschaftler die Flamme des Brenners an einen der Kontakte der beiden Metalle brachte, begann sich die Magnetnadel zu drehen.
Nun wissen wir, dass die Ampère-Kraft, die der stromdurchflossene Leiter erzeugt, ihn drehte, aber Seebeck wusste das damals nicht, also nahm er fälschlicherweise an, dass die induzierte Magnetisierung von Metallen durch die Temperatur zustande kommt Unterschied.
Die richtige Erklärung für dieses Phänomen lieferte einige Jahre später der dänische Physiker Hans Oersted, der darauf hinwies, dass es sich um einen thermoelektrischen Prozess handelt und ein Strom durch einen geschlossenen Stromkreis fließt. Dennoch trägt der von Thomas Seebeck entdeckte thermoelektrische Effekt heute seinen Nachnamen.
Physik laufender Prozesse
Noch einmal, um das Material zu festigen: Das Wesen des Seebeck-Effekts besteht darin, zu induzierenelektrischer Strom durch Aufrechterh alten unterschiedlicher Temperaturen zweier Kontakte aus unterschiedlichen Materialien, die einen geschlossenen Stromkreis bilden.
Um zu verstehen, was in diesem System passiert und warum darin Strom zu fließen beginnt, sollten Sie sich mit drei Phänomenen vertraut machen:
- Das erste wurde bereits erwähnt - das ist die Anregung der EMK im Kontaktbereich durch die Ausrichtung der Fermi-Niveaus. Die Energie dieses Niveaus in Materialien ändert sich mit steigender oder fallender Temperatur. Die letztere Tatsache führt zum Auftreten eines Stroms, wenn zwei Kontakte in einem Stromkreis geschlossen sind (die Gleichgewichtsbedingungen in der Kontaktzone von Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen sind unterschiedlich).
- Der Vorgang des Transports von Ladungsträgern von heißen in k alte Regionen. Dieser Effekt lässt sich verstehen, wenn man bedenkt, dass Elektronen in Metallen und Elektronen und Löcher in Halbleitern in erster Näherung als ideales Gas betrachtet werden können. Letzteres erhöht bekanntlich bei Erhitzung in einem geschlossenen Volumen den Druck. Mit anderen Worten, in der Kontaktzone, wo die Temperatur höher ist, ist auch der „Druck“des Elektronen-(Löcher-)Gases höher, sodass Ladungsträger eher zu kälteren Bereichen des Materials, also zu einem anderen Kontakt, gehen.
- Schließlich ist ein weiteres Phänomen, das zum Auftreten von Strom im Seebeck-Effekt führt, die Wechselwirkung von Phononen (Gitterschwingungen) mit Ladungsträgern. Die Situation sieht so aus, als ob ein Phonon, das sich von einer heißen Verbindungsstelle zu einer k alten Verbindungsstelle bewegt, ein Elektron (Loch) "trifft" und ihm zusätzliche Energie verleiht.
Markierte drei Prozesseals Ergebnis wird das Auftreten von Strom in dem beschriebenen System bestimmt.
Wie wird dieses thermoelektrische Phänomen beschrieben?
Ganz einfach, dafür führen sie einen bestimmten Parameter S ein, den man Seebeck-Koeffizienten nennt. Der Parameter zeigt an, ob der EMF-Wert induziert wird, wenn die Kontakttemperaturdifferenz auf 1 Kelvin (Grad Celsius) geh alten wird. Das heißt, Sie können schreiben:
S=ΔV/ΔT.
Hier ist ΔV die EMF des Stromkreises (Spannung), ΔT ist die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und k alten Verbindungsstellen (Kontaktzonen). Diese Formel ist nur annähernd richtig, da S generell von der Temperatur abhängt.
Die Werte des Seebeck-Koeffizienten hängen von der Art der Kontaktmaterialien ab. Trotzdem können wir definitiv sagen, dass diese Werte für metallische Materialien Einheiten und zehn μV/K entsprechen, während sie für Halbleiter Hunderte von μV/K betragen, dh Halbleiter haben eine um eine Größenordnung größere thermoelektrische Kraft als Metalle. Grund dafür ist eine stärkere Abhängigkeit der Eigenschaften von Halbleitern von der Temperatur (Leitfähigkeit, Ladungsträgerkonzentration).
Prozesseffizienz
Die überraschende Tatsache der Umwandlung von Wärme in Strom eröffnet große Möglichkeiten für die Anwendung dieses Phänomens. Dennoch ist für die technologische Nutzung nicht nur die Idee selbst wichtig, sondern auch quantitative Merkmale. Erstens ist, wie gezeigt wurde, die resultierende EMK ziemlich klein. Dieses Problem kann umgangen werden, indem eine Reihensch altung einer großen Anzahl von Leitern verwendet wird (dieerfolgt in der Peltier-Zelle, die weiter unten besprochen wird).
Zweitens ist es eine Frage der Effizienz der Thermoelektrizitätserzeugung. Und diese Frage bleibt bis heute offen. Der Wirkungsgrad des Seebeck-Effekts ist extrem gering (ca. 10 %). Das heißt, von der gesamten aufgewendeten Wärme kann nur ein Zehntel davon verwendet werden, um nützliche Arbeit zu leisten. Viele Labors auf der ganzen Welt versuchen, diese Effizienz zu steigern, was durch die Entwicklung von Materialien der neuen Generation erreicht werden kann, beispielsweise unter Verwendung von Nanotechnologie.
Ausnutzung des von Seebeck entdeckten Effekts
Trotz des geringen Wirkungsgrades findet es immer noch Verwendung. Unten sind die Hauptbereiche aufgeführt:
- Thermoelement. Der Seebeck-Effekt wird erfolgreich genutzt, um die Temperaturen verschiedener Objekte zu messen. Tatsächlich ist ein System aus zwei Kontakten ein Thermoelement. Wenn sein Koeffizient S und die Temperatur eines der Enden bekannt sind, kann durch Messen der im Stromkreis auftretenden Spannung die Temperatur des anderen Endes berechnet werden. Thermoelemente werden auch verwendet, um die Dichte von Strahlungsenergie (elektromagnetische Energie) zu messen.
- Stromerzeugung auf Raumsonden. Von Menschen gestartete Sonden zur Erforschung unseres Sonnensystems oder darüber hinaus nutzen den Seebeck-Effekt, um die Elektronik an Bord mit Strom zu versorgen. Dies geschieht dank eines thermoelektrischen Strahlungsgenerators.
- Anwendung des Seebeck-Effekts in modernen Autos. Das gaben BMW und Volkswagen bekanntdas Erscheinen von thermoelektrischen Generatoren in ihren Autos, die die Wärme von Gasen nutzen, die aus dem Auspuffrohr emittiert werden.
Andere thermoelektrische Effekte
Es gibt drei thermoelektrische Effekte: Seebeck, Peltier, Thomson. Das Wesen des ersten wurde bereits betrachtet. Der Peltier-Effekt besteht darin, einen Kontakt zu erwärmen und den anderen zu kühlen, wenn die oben beschriebene Sch altung an eine externe Stromquelle angeschlossen ist. Das heißt, der Seebeck- und der Peltier-Effekt sind entgegengesetzt.
Der Thomson-Effekt hat dieselbe Natur, wird aber auf demselben Material betrachtet. Sein Wesen ist die Abgabe oder Aufnahme von Wärme durch einen Leiter, durch den Strom fließt und dessen Enden auf unterschiedlichen Temperaturen geh alten werden.
Peltierzelle
Wenn es um Patente für Thermogenerator-Module mit Seebeck-Effekt geht, dann denkt man natürlich zuerst an die Peltier-Zelle. Es ist ein kompaktes Gerät (4 x 4 x 0,4 cm), das aus einer Reihe von in Reihe gesch alteten n- und p-Leitern besteht. Sie können es selbst machen. Im Mittelpunkt ihrer Arbeit stehen der Seebeck- und der Peltier-Effekt. Die Spannungen und Ströme, mit denen es arbeitet, sind klein (3-5 V und 0,5 A). Wie oben erwähnt, ist die Effizienz seiner Arbeit sehr gering (≈10%).
Es wird verwendet, um alltägliche Aufgaben wie das Erhitzen oder Kühlen von Wasser in einem Becher oder das Aufladen eines Mobiltelefons zu lösen.
