warum wird dies so wenig idforschung weiterbetrieben
12.08.2006 um 11:47Seebeck-Effekt [Bearbeiten]
Der Seebeck-Effekt beschreibt die Entstehung einerelektrischen Spannung entlang eines Temperaturgradienten über einen elektrischen Leiterbedingt durch Thermodiffusionsströme.
Ein elektrischer Leiter besteht aus freienElektronen und positiv geladenen Atomrümpfen. Eine bestimmte Temperatur bedeutet, dasssich die im Material gespeicherte thermische Energie auf die Bewegungsenergie derElektronen (elektronische Wärmekapazität, elektronische Wärmeleitung) und dieSchwingungsenergie der Atomrümpfe (phononische Wärmekapazität, phononische Wärmeleitung)aufteilt. Das Verhältnis ist hierbei eine für das jeweilige Material typische Konstante(Temperaturabhängigkeiten werden hier der Einfachheit halber außer acht gelassen).Folglich besitzen die Elektronen am heißen Ende eine höhere Bewegungsenergie als dieElektronen am kalten Ende des Leiters. Die größere Bewegungsenergie bewirkt nun, dass dieheißen Elektronen sich im Leiter stärker verteilen als die kalten, was zu einemUngleichgewicht führt, da die Elektronendichte am kalten Ende zunimmt. Dies geschiehtgenau so lange, bis die durch dieses Ungleichgewicht aufgebaute elektrische Spannungdafür sorgt, dass ein gleich großer Strom kalter Elektronen auf die heiße Seite fließt.Die entstehende Spannung ist bestimmt durch:
USeebeck = α * ΔT
wobei ΔT die maximale Temperaturdifferenz über dem Gradienten darstellt undα der Seebeck-Koeffizient bzw. die sogenannte "Thermokraft" ist und die Dimensioneiner Spannung pro Temperatur (V/K) trägt.
Technisch lässt sich dieser Effekt sonicht anwenden, da die Abgriffpunkte für die Spannung i.A. auf gleicher Temperatur sindund somit zwei Temperaturgradienten existieren, die sich in Ihrer Wirkung gegenseitigaufheben. Zur technischen Anwendung sind zwei verschiedene elektrische Leiter nötig, diesich in ihrer elektronischen Wärmekapazität unterscheiden, d.h. bei gleicher Temperaturhaben die Elektronen in beiden Leitern unterschiedliche Bewegungsenergien. Bringt mandiese Leiter miteinander in Kontakt, so wird ein Diffusionsstrom höher energetischerElektronen in Richtung des Leiters mit den niederenergetischen Elektronen entstehen, biswiederum das bereits o.g. Gleichgewicht entsteht.
Wenn man zwei Leiter, hierbezeichnet mit A und B, in der Reihenfolge A-B-A in Kontakt bringt, die Anschlüsse amAnfang und am Ende auf der Umgebungstemperatur TU sind, der Übergang A-B auf derTemperatur TH und der Übergang B-A auf der Temperatur TC ist, so lässt sich dieentstehende Spannung darstellen durch:
Hier stellt αA derSeebeckkoeffizienten des Leiters A und αB der Seebeckkoeffizienten des Leiters Bdar. Wie man sieht, ist die entstehende Spannung unabhängig von der Umgebungstemperaturund lediglich von der Temperaturdifferenz der Kontaktstellen abhängig.
DerSeebeck-Effekt beschreibt ausschließlich die Entstehung dieser Spannung. Ein durch äußereBeschaltung entstehender Stromfluss ist nicht Teil dieses Effektes und folgt lediglichaus dem Ohmschen Gesetzt. Der Seebeck-Effekt stellt dabei die Quellenspannung dar, derInnenwiderstand wird lediglich durch den elektrischen Widerstand der Materialienbegrenzt.
Thomas Johann Seebeck entdeckte zufällig, dass zwischen zwei Endeneiner Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange einTemperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. Nach dem Verbinden beider Endenfließt ein elektrischer Strom, dessen Magnetfeld er mit einer Kompassnadel nachwies. Esgelang Thomas Johann Seebeck 1821, diesen Effekt im ersten Thermoelement auszunutzen.Durch Einsatz von Halbleitermaterialien (zu Werkstoffen und Prinzipaufbau siehe beiPeltier-Element) lässt sich der Umwandlungswirkungsgrad von Wärmeenergie in elektrischeEnergie auf 3% bis 8% steigern. Solche thermoelektrischen Generatoren bzw. Wandler findenu.a. in Isotopenbatterien Anwendung.
Zur Zeit werden solche thermoelektrischeGeneratoren verstärkt zur Nutzung von Abwärme, z.B. im KFZ, Blockheizkraftwerk oder beiMüllverbrennungsanlagen eingesetzt.
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Der Seebeck-Effekt beschreibt die Entstehung einerelektrischen Spannung entlang eines Temperaturgradienten über einen elektrischen Leiterbedingt durch Thermodiffusionsströme.
Ein elektrischer Leiter besteht aus freienElektronen und positiv geladenen Atomrümpfen. Eine bestimmte Temperatur bedeutet, dasssich die im Material gespeicherte thermische Energie auf die Bewegungsenergie derElektronen (elektronische Wärmekapazität, elektronische Wärmeleitung) und dieSchwingungsenergie der Atomrümpfe (phononische Wärmekapazität, phononische Wärmeleitung)aufteilt. Das Verhältnis ist hierbei eine für das jeweilige Material typische Konstante(Temperaturabhängigkeiten werden hier der Einfachheit halber außer acht gelassen).Folglich besitzen die Elektronen am heißen Ende eine höhere Bewegungsenergie als dieElektronen am kalten Ende des Leiters. Die größere Bewegungsenergie bewirkt nun, dass dieheißen Elektronen sich im Leiter stärker verteilen als die kalten, was zu einemUngleichgewicht führt, da die Elektronendichte am kalten Ende zunimmt. Dies geschiehtgenau so lange, bis die durch dieses Ungleichgewicht aufgebaute elektrische Spannungdafür sorgt, dass ein gleich großer Strom kalter Elektronen auf die heiße Seite fließt.Die entstehende Spannung ist bestimmt durch:
USeebeck = α * ΔT
wobei ΔT die maximale Temperaturdifferenz über dem Gradienten darstellt undα der Seebeck-Koeffizient bzw. die sogenannte "Thermokraft" ist und die Dimensioneiner Spannung pro Temperatur (V/K) trägt.
Technisch lässt sich dieser Effekt sonicht anwenden, da die Abgriffpunkte für die Spannung i.A. auf gleicher Temperatur sindund somit zwei Temperaturgradienten existieren, die sich in Ihrer Wirkung gegenseitigaufheben. Zur technischen Anwendung sind zwei verschiedene elektrische Leiter nötig, diesich in ihrer elektronischen Wärmekapazität unterscheiden, d.h. bei gleicher Temperaturhaben die Elektronen in beiden Leitern unterschiedliche Bewegungsenergien. Bringt mandiese Leiter miteinander in Kontakt, so wird ein Diffusionsstrom höher energetischerElektronen in Richtung des Leiters mit den niederenergetischen Elektronen entstehen, biswiederum das bereits o.g. Gleichgewicht entsteht.
Wenn man zwei Leiter, hierbezeichnet mit A und B, in der Reihenfolge A-B-A in Kontakt bringt, die Anschlüsse amAnfang und am Ende auf der Umgebungstemperatur TU sind, der Übergang A-B auf derTemperatur TH und der Übergang B-A auf der Temperatur TC ist, so lässt sich dieentstehende Spannung darstellen durch:
Hier stellt αA derSeebeckkoeffizienten des Leiters A und αB der Seebeckkoeffizienten des Leiters Bdar. Wie man sieht, ist die entstehende Spannung unabhängig von der Umgebungstemperaturund lediglich von der Temperaturdifferenz der Kontaktstellen abhängig.
DerSeebeck-Effekt beschreibt ausschließlich die Entstehung dieser Spannung. Ein durch äußereBeschaltung entstehender Stromfluss ist nicht Teil dieses Effektes und folgt lediglichaus dem Ohmschen Gesetzt. Der Seebeck-Effekt stellt dabei die Quellenspannung dar, derInnenwiderstand wird lediglich durch den elektrischen Widerstand der Materialienbegrenzt.
Thomas Johann Seebeck entdeckte zufällig, dass zwischen zwei Endeneiner Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange einTemperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. Nach dem Verbinden beider Endenfließt ein elektrischer Strom, dessen Magnetfeld er mit einer Kompassnadel nachwies. Esgelang Thomas Johann Seebeck 1821, diesen Effekt im ersten Thermoelement auszunutzen.Durch Einsatz von Halbleitermaterialien (zu Werkstoffen und Prinzipaufbau siehe beiPeltier-Element) lässt sich der Umwandlungswirkungsgrad von Wärmeenergie in elektrischeEnergie auf 3% bis 8% steigern. Solche thermoelektrischen Generatoren bzw. Wandler findenu.a. in Isotopenbatterien Anwendung.
Zur Zeit werden solche thermoelektrischeGeneratoren verstärkt zur Nutzung von Abwärme, z.B. im KFZ, Blockheizkraftwerk oder beiMüllverbrennungsanlagen eingesetzt.
