Der Seebeck-Effekt
Der Seebeck-Effekt ist ein Phänomen, bei dem zwischen den Enden eines Leiters eine Spannung erzeugt wird, wenn die Temperatur an einem Ende von der Temperatur am anderen Ende abweicht. Er wurde nach dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck benannt, der ihn Anfang des 19. Jahrhunderts erstmals beschrieben hat.
Was ist der Seebeck-Effekt?
Der Seebeck-Effekt basiert darauf, dass die Bewegung von Ladungsträgern, wie Elektronen, in einem Leiter Wärme erzeugt. Wenn eine Temperaturdifferenz über einen Leiter angewendet wird, haben die Ladungsträger am warmen Ende mehr kinetische Energie als die am kalten Ende, was zu einer Nettostrombewegung vom warmen zum kalten Ende führt. Diese Strombewegung erzeugt eine Spannung über den Leiter, die mit einem Voltmeter gemessen werden kann.
Die Größe der durch den Seebeck-Effekt erzeugten Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz über den Leiter und den Eigenschaften des Leiters selbst. Verschiedene Materialien haben verschiedene Seebeck-Koeffizienten, die die pro Einheit Temperaturdifferenz erzeugte Spannung beschreiben.
Der Seebeck-Effekt bildet die Grundlage für den Betrieb von thermoelektrischen Generatoren, die Geräte sind, die Wärme in Elektrizität umwandeln. Sie arbeiten, indem sie den Seebeck-Effekt nutzen, um eine Spannung über einen Leiter zu erzeugen, und dann diese Spannung nutzen, um einen Strom durch eine externe Last, wie eine Glühbirne oder eine Batterie, zu treiben.
Der Seebeck-Koeffizient:
Der Seebeck-Koeffizient ist die Spannung, die zwischen zwei Punkten auf einem Leiter erzeugt wird, wenn eine Temperaturdifferenz von 1 Kelvin zwischen ihnen gehalten wird. Bei Raumtemperatur hat eine solche Kupfer-Konstantan-Kombination einen Seebeck-Koeffizienten von 41 Mikrovolt pro Kelvin.
S = ΔV/ΔT = (Vcold − Vhot)/(Thot-Tcold)
Wobei,
ΔV bedeutet die Spannungsunterschied, der durch die Einführung einer kleinen Temperaturänderung (ΔT) entlang des Materials entsteht.
ΔV wird definiert als die Spannung auf der kalten Seite minus die Spannung auf der heißen Seite.
Wenn der Unterschied zwischen Vcold und Vhot negativ ist, ist der Seebeck-Koeffizient negativ.
Wenn ΔT als klein betrachtet wird.
Daher können wir den Seebeck-Koeffizienten als die erste Ableitung der erzeugten Spannung bezüglich der Temperatur definieren:
S = d V /d T
Der Spin-Seebeck-Effekt:
Es wurde jedoch 2008 entdeckt, dass, wenn Wärme auf ein magnetisches Metall angewendet wird, seine Elektronen sich nach ihrem Spin neu ordnen. Diese Neuausrichtung war jedoch nicht verantwortlich für die Erzeugung von Wärme. Dieses Phänomen ist das gleiche wie der Spin-Seebeck-Effekt. Dieser Effekt wurde bei der Herstellung schneller und effizienter Mikroschalter eingesetzt.
Warum steigt der Seebeck-Koeffizient mit zunehmender Temperatur?
Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur zu und zeigt Halbleitereigenschaften. Der hohe Seebeck-Koeffizient und die geringe elektrische Leitfähigkeit von CuAlO2 sind auf die hohe effektive Masse der Ladungslöcher zurückzuführen.
Welcher Sensor detektiert den Seebeck-Effekt?
Das Thermoelement ist ein elektrisches Gerät, das aus zwei unterschiedlichen Metallschläuchen besteht, die miteinander verbunden sind. Es wird als Temperatursensor eingesetzt. Es arbeitet nach dem Prinzip des Seebeck-Effekts.
Anwendungen des Seebeck-Effekts:
Thermoelektrische Generatoren haben eine Vielzahl potentieller Anwendungen, darunter die Stromerzeugung für abgelegene oder off-grid-Standorte, die Wärmeerfassung und die Temperaturmessung. Sie sind besonders nützlich in Situationen, in denen andere Formen der Stromerzeugung nicht praktikabel sind, wie in Raumfahrzeugen oder in abgelegenen Gebieten, wo der Zugang zu Treibstoff begrenzt ist.
Dieser Seebeck-Effekt wird häufig in Thermoelementen verwendet, um Temperaturunterschiede zu messen oder elektrische Schalter zu aktivieren, die das System ein- oder ausschalten. Häufig verwendete Thermoelement-Metallkombinationen umfassen Konstantan/Kupfer, Konstantan/Eisen, Konstantan/Chrom und Konstantan.
Der Seebeck-Effekt wird in thermoelektrischen Generatoren eingesetzt, die als Wärmemotoren dienen.
Diese werden auch in manchen Kraftwerken eingesetzt, um Abwärme in zusätzliche Energie umzuwandeln.
Neben ihrer Verwendung in thermoelektrischen Generatoren haben der Seebeck-Effekt und verwandte Phänomene, wie der Peltier-Effekt und der Thomson-Effekt, eine Reihe weiterer Anwendungen in Bereichen wie Thermometrie und Thermophysik. Sie werden auch in der Erforschung thermoelektrischer Materialien und Geräte verwendet.
Einschränkungen des Seebeck-Effekts:
Ein Nachteil thermoelektrischer Generatoren ist, dass sie nicht sehr effizient sind. Die Effizienz eines thermoelektrischen Generators wird normalerweise durch seinen Zahlenwert gemessen, der die Fähigkeit des Geräts misst, Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Die meisten thermoelektrischen Generatoren haben einen Zahlenwert von weniger als 1, was bedeutet, dass sie weniger als 1% der von ihnen absorbierten Wärme in Elektrizität umwandeln. Diese geringe Effizienz schränkt die praktischen Anwendungen thermoelektrischer Generatoren ein, aber Forscher arbeiten an der Entwicklung neuer Materialien und Designs, die in Zukunft ihre Effizienz verbessern könnten.
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