Der Seebeck-Effekt und der Peltier-Effekt sind die beiden Hauptprinzipien, die die Funktionsweise thermoelektrischer Generatoren bestimmen.

Der Seebeck-Effekt und der Peltier-Effekt können beide unter dem Begriff thermoelektrischer Effekt klassifiziert werden. Jeder thermoelektrische Effekt beinhaltet die Umwandlung von Temperaturunterschieden in Spannungsunterschiede. Die Seebeck- und Peltier-Effekte sind verschiedene Manifestationen desselben physikalischen Prozesses. In einigen Fällen sind sie miteinander verbunden und als Seebeck-Peltier-Effekt bekannt. Der Grund, warum diese beiden Effekte getrennt sind, liegt an ihren unabhängigen Entdeckungen durch zwei verschiedene Individuen. Schauen wir uns zunächst an, was der Seebeck-Effekt im Detail ist.

Was ist der Seebeck-Effekt?

Der Seebeck-Effekt wurde vom baltisch-deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt. Der Seebeck-Effekt ist ein Phänomen, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Substanzen erzeugt.

Wenn einem der beiden Leiter oder Halbleiter Wärme zugeführt wird, werden die Elektronen aufgrund der Wärme angeregt. Da nur eine der beiden Seiten erhitzt wird, bewegen sich die Elektronen auf die kühlere Seite der beiden Leiter zu. Wenn beide Leiter in Form einer Schaltung verbunden sind, fließt ein Gleichstrom durch die Schaltung.

Die vom Seebeck-Effekt erzeugten Spannungen sind winzig. Der Bereich der erzeugten Spannung liegt normalerweise in der Größenordnung einiger Mikrovolt (ein Millionstel Volt) pro Kelvin Temperaturdifferenz an der Verbindungsstelle. Wenn der Temperaturunterschied signifikant genug ist, können einige Geräte einige Millivolt (ein Tausendstel Volt) erzeugen.

Mehrere solcher Geräte können parallel geschaltet werden, um den maximal lieferbaren Strom zu erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass solche Vorrichtungen ein kleines Maß an elektrischer Leistung bereitstellen, wenn ein großer Temperaturunterschied über die Verbindungsstellen aufrechterhalten wird.

Demonstration des Seedback-Effekts

Der Seebeck-Effekt kann uns helfen, das von einem Gerät erzeugte elektromotorische Feld zu berechnen. Dies kann mit dem Seebeck-Koeffizienten erfolgen. Der Seebeck-Koeffizient eines Materials ist das Maß für die Größe der erhöhten thermoelektrischen Spannung in Reaktion auf die Temperaturunterschiede in einem bestimmten Material. Mit der elektromotorischen Kraft können wir auch die Stromdichte des thermoelektrischen Materials berechnen. Die hierfür relevanten Gleichungen lauten wie folgt:

Eemf= -S∆T

J= σ(-∆V+Eemf)

Hier bedeutet J die Stromdichte und σ die lokale Leitfähigkeit des Leiters.

Was ist der Peltier-Effekt?

Der Peltier-Effekt wurde nach dem französischen Physiker Jean Charles Athanase Peltier benannt, der dieses Phänomen 1834 entdeckte. Der Peltier-Effekt ist das Vorhandensein von Heizung oder Kühlung an einer elektrifizierten Verbindung von zwei verschiedenen Leitern. Wenn ein Strom durch eine Verbindung zwischen zwei Leitern fließt, kann Wärme an der Verbindung hinzugefügt oder entfernt werden.

Demonstration des Peltier-Effekts

Die an der Verbindungsstelle pro Zeiteinheit erzeugte Peltier-Wärme ist dabei ∏A und ∏B sind die Peltier-Koeffizienten.

Q=(∏A – ∏B)I

Hier bedeuten A und B die beiden Enden der Leiter, während I der elektrische Strom ist. Die Peltier-Koeffizienten geben an, wie viel Wärme pro Ladeeinheit transportiert wird. Da die Ladung über einen Übergang kontinuierlich sein muss, entwickelt der zugehörige Wärmestrom eine Diskontinuität, wenn ∏A und ∏B unterschiedlich sind.

Der Peltier-Effekt kann als Gegenstück zum Seebeck-Effekt betrachtet werden: Wenn ein einfacher thermoelektrischer Stromkreis geschlossen ist, treibt der Seebeck-Effekt einen Strom an, der wiederum (durch den Peltier-Effekt) immer Wärme von der heißen zur kalten Verbindung überträgt.

Eine typische Peltier-Wärmepumpe umfasst mehrere Übergänge in Reihe, durch die ein Strom angetrieben wird. Einige der Übergänge verlieren aufgrund des Peltier-Effekts Wärme, während andere Wärme gewinnen. Thermoelektrische Wärmepumpen nutzen dieses Phänomen ebenso aus wie thermoelektrische Kühlgeräte in Kühlschränken.