Thermoelektrizität – Der Thermoelektrische Effekt
Thermoelektrizität entsteht durch den thermoelektrischen Effekt, der die direkte Umwandlung von Temperaturunterschieden in elektrische Spannung und umgekehrt ermöglicht. Dies geschieht mittels eines Thermopaares. Erhitzt man zwei unterschiedliche Materialien, die miteinander verbunden sind, so kommt es zum Elektronentransfer zwischen den Materialien, was zu einem Stromfluss führt.
Der Seebeck-Effekt
Der Seebeck-Effekt tritt auf, wenn zwischen zwei verschiedenen elektrischen Leitern oder Halbleitern ein Temperaturunterschied eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Stoffen erzeugt. Entsteht ein Temperaturgradient an einer Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter, die elektrisch in Serie und thermisch parallel geschaltet sind, wird eine Spannung erzeugt. Dieser Effekt wurde erstmals 1821 von Thomas Seebeck berichtet. Die erzeugte Spannung hängt vom Seebeck-Koeffizienten S (S = V/ΔT) und dem Temperaturunterschied zwischen den beiden Verbindungen im Thermopaar ab.
Der Peltier-Effekt
Der Peltier-Effekt, benannt nach dem französischen Physiker Jean Charles Athanase Peltier, ist das Analogon zum Seebeck-Effekt. Hier wird Wärme oder Kälte an einer elektrifizierten Verbindung zweier unterschiedlicher Leiter erzeugt. Der Peltier-Koeffizient (π) wird bestimmt durch das Verhältnis des Stroms (I) zur Heizrate (q): π = I/q. Dieser repräsentiert, wie viel Wärme pro Ladungseinheit transportiert wird. Die Richtung von π wird durch die Erwärmung und Kühlung der Verbindungen bestimmt. Thermoelektrische Wärmepumpen nutzen diesen Effekt, ebenso wie Kühlgeräte in Kühlschränken.
Der Thomson-Effekt
Der Thomson-Effekt beschreibt den entstehenden elektrischen Strom in einem einzelnen Leiter, wenn ein kleiner Temperaturgradient angelegt wird. Diese Beziehung wird durch die Gleichung q = βIΔT beschrieben, wobei q die Heizrate, I der elektrische Strom, ΔT die Temperaturänderung und β der Thomson-Koeffizient ist. Lord Kelvin verknüpfte alle drei thermoelektrischen Koeffizienten in den Kelvin-Beziehungen.
Mechanismen des Thermoelektrischen Effekts
Werden zwei ungleiche Metalle wie Kupfer und Zink verbunden, kann ein Elektronentransfer stattfinden. Die Elektronen verlassen die Kupferatome und treten in die Zinkatome ein, was zu einer Spannungsdifferenz führt. Dieses Phänomen findet bereits bei Raumtemperatur statt und verstärkt sich mit zunehmender Hitze.
Anwendungen des Thermoelektrischen Effekts
Thermoelektrische Generatoren (TEGs) wandeln Wärmefluss direkt in elektrische Energie um. Sie sind kompakt, haben keine beweglichen Teile, sind aber oft teurer und weniger effizient als traditionelle Wärmekraftmaschinen. Thermoelektrische Kühlung nutzt den Peltier-Effekt, um eine Wärmefluss an der Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien zu erzeugen. Thermoelemente, bestehend aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern, erzeugen eine temperaturabhängige Spannung, die zur Temperaturmessung verwendet werden kann.
Thermoelektrische Materialien
Thermoelektrische Materialien konvertieren thermische in elektrische Energie. Sie benötigen eine hohe elektrische Leitfähigkeit (σ) und eine niedrige thermische Leitfähigkeit (κ). Bekannte Halbleitermaterialien in diesem Bereich sind Bismut-Tellurid (Bi2Te3), Blei-Tellurid (PbTe) und Silizium-Germanium (SiGe). Durch Nanotechnologie können heute die thermischen Eigenschaften von Halbleitern verbessert werden, ohne deren elektrische Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Thermoelektrischer Generator – Seebeck-Generator
Thermoelektrische Generatoren werden für die Stromerzeugung in entlegenen Gebieten, in der Raumfahrt und dort eingesetzt, wo Abwärme genutzt werden kann. Sie bieten eine potenzielle Energiequelle für Entwicklungsländer in abgelegenen Gebieten. Eine einfache Holzverbrennung oder ein offenes Feuer könnte als Ladestation für Mobiltelefone oder zur Versorgung von LED-Beleuchtung in kleinen Dörfern dienen. Trotz der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit traditioneller thermoelektrischer Geräte wird ihre Nutzung durch die geringe Effizienz und die hohen spezifischen Kosten eingeschränkt.
