Seebeck-Effekt und Seebeck-Koeffizient
Der Seebeck-Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein Temperaturunterschied zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Spannungsdifferenz zwischen diesen Stoffen erzeugt. Ein thermoelektrischer Generator (TEG), auch Seebeck-Generator genannt, ist ein Festkörpergerät, das Wärmefluss (Temperaturunterschiede) direkt in elektrische Energie umwandelt. Dieser Vorgang wird als Seebeck-Effekt bezeichnet.
Thermoelektrizität durch den Seebeck-Effekt
Thermoelektrizität wird durch den thermoelektrischen Effekt erzeugt, bei dem Temperaturunterschiede direkt in elektrische Spannung und umgekehrt umgewandelt werden. Dies geschieht durch ein Thermoelement. Erhitzt man zwei verbundene unterschiedliche Materialien, kommt es zum Elektronentransfer zwischen den Materialien, was einen Stromfluss zur Folge hat.
Die drei thermoelektrischen Effekte
Der thermoelektrische Effekt umfasst drei separat identifizierte Effekte: Seebeck-, Peltier- und Thomson-Effekt.
Seebeck-Effekt
Der Seebeck-Effekt entsteht, wenn an der Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Leiter, die elektrisch in Serie und thermisch parallel verbunden sind, ein Temperaturgradient besteht. Dies führt zu einer Spannung. Die dabei erzeugte Spannung hängt vom Seebeck-Koeffizienten S (S = V/ΔT) und dem Temperaturunterschied zwischen den beiden Verbindungsstellen im Thermoelement ab.
Peltier-Effekt
Der Peltier-Effekt, das Analogon zum Seebeck-Effekt, beschreibt die Erwärmung oder Kühlung an einer elektrifizierten Verbindungsstelle zweier unterschiedlicher Leiter. Der Peltier-Koeffizient (π) wird durch das Verhältnis des Stroms (I) zur Heizrate (q) bestimmt: π = I/q. Er zeigt, wie viel Wärme pro Ladungseinheit transportiert wird.
Thomson-Effekt
Beim Thomson-Effekt entsteht in einem einzelnen Leiter ein elektrischer Strom, wenn ein kleiner Temperaturgradient angelegt wird. Dieser Effekt wird durch die Gleichung q = βIΔT beschrieben, wobei q die Heizrate, I der elektrische Strom, ΔT die Temperaturänderung und β der Thomson-Koeffizient ist.
Mechanismen des Thermoelektrischen Effekts
Wenn zwei verschiedene Metalle wie Kupfer und Zink verbunden werden, kann ein Elektronentransfer stattfinden. Elektronen verlassen die Kupferatome und treten in die Zinkatome ein, wodurch eine Spannung über die Verbindungsstelle der beiden Metalle entsteht. Mehr Wärmeenergie führt zur Freisetzung mehrerer Elektronen, wodurch das Spannungspotential steigt.
Thermoelektrische Materialien
Thermoelektrische Materialien wandeln thermische Energie durch thermoelektrische Umwandlung in elektrische Energie um. Häufig verwendete Halbleitermaterialien für thermoelektrische Generatoren sind Bismuttellurid (Bi2Te3), Bleitellurid (PbTe) und Silizium-Germanium (SiGe). Die thermische Leitfähigkeit von Halbleitern kann heute durch Nanotechnologie gesenkt werden, ohne ihre elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Thermoelektrische Generatoren – Seebeck-Generatoren
Thermoelektrische Generatoren werden für die Stromerzeugung in abgelegenen Gebieten, auf Raumfahrzeugen und an Orten eingesetzt, wo Abwärme zurückgewonnen werden kann. Sie könnten auch in Entwicklungsländern eine Rolle spielen, indem sie beispielsweise aus einer einfachen Holzverbrennung eine Handy-Ladestation oder LED-Beleuchtung ermöglichen. Aktuelle Anwendungen umfassen Ofenventilatoren, durch Körperwärme betriebene Beleuchtung und Smartwatches, die durch Körperwärme angetrieben werden.
