Thermoelektrizität und Thermoelemente
Was ist Thermoelektrizität?
Thermoelektrizität entsteht durch den thermoelektrischen Effekt, der die direkte Umwandlung von Temperaturunterschieden in elektrische Spannung und umgekehrt ermöglicht. Erhitzt man zwei verbundene, unterschiedliche Materialien, bewirkt dies einen Elektronentransfer zwischen den Materialien und erzeugt einen Stromfluss.
Grundlagen der Thermoelemente
Thermoelemente sind elektrische Vorrichtungen, die aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern bestehen, die eine elektrische Verbindung bilden. Ein Thermoelement erzeugt eine temperaturabhängige Spannung aufgrund des thermoelektrischen Effekts, und diese Spannung kann zur Temperaturmessung verwendet werden. Beispielsweise ist Konstantan das negative Element des Typ-J-Thermoelements, wobei Eisen positiv ist. Typ-J-Thermoelemente werden in Wärmebehandlungsanwendungen eingesetzt. Ebenso ist Konstantan das negative Element des Typ-T-Thermoelements, mit Kupfer als positivem Element. Diese Thermoelemente werden bei kryogenen Temperaturen verwendet.
Die drei Effekte der Thermoelektrizität
- Seebeck-Effekt: Dieser Effekt tritt auf, wenn zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Temperaturdifferenz eine Spannungsdifferenz erzeugt. Entdeckt wurde er 1821 von Thomas Seebeck.
- Peltier-Effekt: Benannt nach Jean Charles Athanase Peltier, der ihn 1834 entdeckte, bezeichnet der Peltier-Effekt die Erwärmung oder Kühlung an einer elektrifizierten Verbindung von zwei verschiedenen Leitern.
- Thomson-Effekt: Dieser Effekt beschreibt den resultierenden elektrischen Strom, der sich in einem einzelnen Leiter entwickelt, wenn ein kleiner Temperaturgradient angelegt wird.
Anwendungen von Thermoelementen
Wenn beispielsweise zwei verschiedene Metalle wie Kupfer und Zink miteinander verbunden werden, kann ein Elektronentransfer stattfinden. Elektronen verlassen die Kupferatome und treten in die Zinkatome ein. Das Zink erhält einen Überschuss an Elektronen und wird negativ geladen, während das Kupfer Elektronen verliert und eine positive Ladung annimmt. Dies erzeugt ein Spannungspotenzial über die Verbindung der beiden Metalle. Die Wärmeenergie einer normalen Raumtemperatur reicht aus, um sie Elektronen freisetzen und aufnehmen zu lassen, was ein messbares Spannungspotenzial zur Folge hat. Mit zunehmender Wärmeenergie am Verbindungspunkt werden mehr Elektronen freigesetzt und das Spannungspotenzial steigt.
Thermoelektrische Materialien
Thermoelektrische Materialien wandeln thermische Energie durch den Prozess der thermoelektrischen Umwandlung in elektrische Energie um. Die Wärmequelle für den Temperaturunterschied kann Verbrennungsmotoren, Sonnenlicht, chemische Reaktionen oder Kernzerfall sein. Diese Materialien müssen sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit (σ) als auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit (κ) aufweisen, um effektive thermoelektrische Materialien zu sein. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit stellt sicher, dass, wenn eine Seite erhitzt wird, die andere Seite kalt bleibt, was hilft, eine große Spannung in einem Temperaturgradienten zu erzeugen.
Häufig verwendete thermoelektrische Materialien sind Bismuttellurid (Bi2Te3), Bleitellurid (PbTe) und Silizium-Germanium (SiGe). Welches Material verwendet wird, hängt von den Eigenschaften der Wärmequelle, des kalten Senks und dem Design des thermoelektrischen Generators ab.
