Peltier-Effekt – Peltier-Kühlung
Einleitung
Der Peltier-Effekt, benannt nach dem französischen Physiker Jean Charles Athanase Peltier, der ihn 1834 entdeckte, ist das Analogon zum Seebeck-Effekt. Dieser Effekt beschreibt das Auftreten von Heizung oder Kühlung an einer elektrifizierten Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter.
Grundprinzip des Peltier-Effekts
Im Gegensatz zur Erzeugung eines Potenzialunterschieds über die Anschlüsse C und D, bei denen die Verbindungen J1 und J2 unterschiedliche Temperaturen aufweisen, nutzt der Peltier-Effekt eine elektromotorische Quelle, um einen Strom zu treiben. Dies führt dazu, dass eine Verbindung erhitzt und die andere gekühlt wird. Der Effekt kann quantitativ durch den Peltier-Koeffizienten beschrieben werden.
Peltier-Koeffizient
Der Peltier-Koeffizient (π) wird durch das Verhältnis des Stroms (I) zur Heizrate (q) bestimmt: \(\pi = \frac{I}{q}\). Er repräsentiert, wie viel Wärme pro Ladungseinheit transportiert wird. Das Vorzeichen von π wird durch die Erwärmung bzw. Kühlung der jeweiligen Verbindung bestimmt.
Thermoelektrische Wärmepumpen
Typische Peltier-Wärmepumpen umfassen mehrere in Serie geschaltete Verbindungen, durch die ein Strom geleitet wird. Einige dieser Verbindungen verlieren Wärme durch den Peltier-Effekt, während andere Wärme gewinnen. Thermoelektrische Wärmepumpen und Kühlgeräte in Kühlschränken nutzen dieses Phänomen.
Thomson-Effekt
Der Thomson-Effekt beschreibt den resultierenden elektrischen Strom, der sich in einem einzelnen Leiter entwickelt, wenn ein kleiner Temperaturgradient angelegt wird. Diese Beziehung wird durch die Gleichung \(q = \beta I \Delta T\) beschrieben, wobei q die Heizrate, I der elektrische Strom, ΔT die Temperaturänderung und β der Thomson-Koeffizient ist.
Verbindung der thermoelektrischen Koeffizienten
Lord Kelvin verknüpfte alle drei thermoelektrischen Koeffizienten in den Kelvin-Beziehungen. Diese Gleichungen beschreiben, wie die Seebeck-, Peltier- und Thomson-Koeffizienten zusammenhängen. Der Peltier-Effekt kann als Gegenaktion zum Seebeck-Effekt betrachtet werden: Wenn ein einfacher thermoelektrischer Kreislauf geschlossen ist, treibt der Seebeck-Effekt einen Strom, der wiederum (durch den Peltier-Effekt) immer Wärme von der heißen zur kalten Verbindung überträgt.
Thermoelektrische Materialien
Thermoelektrische Materialien wandeln thermische Energie durch einen Prozess, der als thermoelektrische Umwandlung bekannt ist, in elektrische Energie um. Die Wärmequelle kann Verbrennungsmotoren, Sonnenlicht, chemische Reaktionen oder Kernzerfall sein. Diese Materialien müssen sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit (σ) als auch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (κ) aufweisen. Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit stellt sicher, dass bei Erhitzung einer Seite die andere Seite kalt bleibt, was hilft, eine große Spannung in einem Temperaturgradienten zu erzeugen.
Gängige thermoelektrische Generatoren
Für thermoelektrische Generatoren werden häufig drei Halbleitermaterialien verwendet: Bismuttellurid (Bi2Te3), Bleitellurid (PbTe) und Silizium-Germanium (SiGe). Die Wahl des Materials hängt von den Eigenschaften der Wärmequelle, des Kältesinks und des Designs des thermoelektrischen Generators ab. Heute kann die Wärmeleitfähigkeit von Halbleitern durch die Schaffung von nanoskaligen Strukturen wie Partikeln, Drähten oder Schnittstellen in Bulk-Halbleitermaterialien gesenkt werden, ohne deren hohe elektrische Eigenschaften zu beeinträchtigen.
