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Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 1
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
Seebeck-/Peltier-Effekt:
thermoelektrische Materialien
[1](Seebeck-Effekt)
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 2
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
1. Seebeck-Effekt
1.1 Einführung
1.2 Theorie
1.3 Anwendung
2. Peltier-Effekt
2.1 Einführung
2.2 Theorie
2.3 Anwendung
3. Zusammenfassung
4. Quellen
[2]
[3]
Thomas Johann Seebeck
(1770-1831)
Jean Charles Athanase Peltier
(1785-1845)
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 3
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
1. Seebeck-Effekt:
1.1 Einführung
• wurde 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt
• Definition: Wird ein elektrischer Leiter an seinen Enden unterschiedlich stark erwärmt, so
entsteht eine Thermospannung.
• Voraussetzungen: - elektrischer Leiter (Halbleiter, Metall)
- Temperaturgradient
• Beobachtung: - Thermospannung
• Ursache: - Thermodiffusion
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 4
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
1.2 Theorie
• Bändermodell:
- Bindung mit Hilfe der MO-Theorie
- im Kristall erfolgt durch Wechselwirkung der
Atome eine Aufspaltung der Energieniveaus
� es entstehen Bänder
- mit e- besetztes Band = Valenzband
- unbesetztes Band = Leitungsband
- beim Leiter: keine Bandlücke
- beim Halbleiter: 0eV < Bandlücke < 4eV
- beim Isolator: Bandlücke > 4eV
[4]
[5]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 5
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
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23.05.2008
• im Leiter sind Elektronen gleichmäßig verteilt
• führen ungeordnete Wärmebewegung aus
• Stabenden auf unterschiedlicher Temperatur
• Teilchen haben unterschiedliche kin. Energie
• Elektronen, welche von warm nach kalt laufen
besitzen höhere Geschwindigkeit
• mittlerer Geschwindigkeitsvektor immer in
Richtung des kalten Endes
• gerichtete Bewegung = Thermodiffusion
[6]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 6
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
• Thermoelement:
-zwei Leiter (grün, rot) sind über zwei
Lötstellen verbunden
- Kontaktspannung aufgrund unter-
schiedlicher chemischer Potentiale
(Elektronen diffundieren vom Ort mit
höherem zum Ort mit niedrigeren Po-
tential)
- da die Summe der Potentialände-
rungen über alles gleich null, gibt die
Kontaktspannung keinen Beitrag zur
Thermospannung
� Thermodiffusion erzeugt
Thermospannung[7]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 7
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
• Spannung wird stromlos gemessen
- Diffusionsspannungen sind Material-spezifisch
- Pfeile geben Richtung des elektri-schen Feldes an
� Thermodiffusionsspannungen
• thermoelektrischer Kreisstrom
- Material mit größerer Thermodiffu-sionsspannung bestimmt Spannungs-richtung
- Stromrichtung entgegengesetzt zur Spannungsrichtung
[8]
[9]
• Berechnung der Thermospannung:
( ) ( )12
TTSSUABthermo
−⋅−=
iS … Seebeck-Koeffizient
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 8
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
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23.05.2008
Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten
Seebeck-Koeffizient [µV/K]
[10]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 9
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23.05.2008
κ
σ⋅=
2S
Z
Thermoelektrische Effektivität
Z … thermoelektrische Effektivität
S … Seebeck-Koeffizient
σ … elektrische Leitfähigkeit
κ … Wärmeleitfähigkeit
κ
[11]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 10
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
Temperatur [K]
therm
oelektrische Gütezahl (ZT)
Beispiel: Bi2Te3 ( ) 13103,3300
−−⋅=≈ KKTZ
[12]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 11
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
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23.05.2008
• Thermoelemente:
- Temperaturmessung bis 3300K
- Spannungsdifferenzen müssen annä-hernd linear zunehmen
- keine Beeinflussung des Messobjektes
- schnelles Ansprechen
- Empfindlichkeit:10-5 bis 10-4 V/K
• Unterscheidung von n- und p-Leitung in Halbleitern
• Thermogeneratoren:
- Raumfahrt (radioaktiver Zerfall liefert Wärme)
- Auto (Abgas- und Motorwärme)
� Effektivität und Empfindlichkeit wird durch Thermosäulen erhöht (mehrere seriell geschaltete Materialpaare erhöht)
[13]
[14]
1.3 Anwendungen
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 12
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
• Unterscheidung von n- und p-Leitung
• n-Leitung:
- Fremdatom mit mehr Valenzelek-
tronen als Atome des Wirtgitters
- freie Elektronen
- Leitung vorwiegend im Leitungsband
� Elektronenleitung
• p-Leitung:
- Fremdatom mit weniger Valenzelek-
tronen als Atome des Wirtgitters
- einige Bindungen unbesetzt
- positive Löcher
- Leitung vorwiegend im Valenzband
� Löcherleitung
[15]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 13
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
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23.05.2008
2. Peltier-Effekt:
2.1 Einführung
• wurde 1834 von Jean Charles Athanase Peltier entdeckt
• Umgekehrte Verhältnisse wie beim Seebeck-Effekt (Strom � Wärme)
• Definition: Werden zwei elektrische Leiter jeweils an den Enden zu einem Stromkreis verbunden
und wird ein Gleichstrom angelegt, so kühlt sich eine Kontaktstelle ab und die andere
erwärmt sich. Durch Umpolen des Stroms lassen sich die warme und kalte Kontakt-
stelle vertauschen.
Voraussetzungen: - zwei elektrische Leiter (Halbleiter, Metall)
- Gleichstrom
• Beobachtung: - Temperaturunterschied an Kontaktstellen
• Ursache: - Thermodiffusion
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Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
2.2 Theorie
• Strom wird angelegt, Elektronen führen eine
gerichtete Bewegung aus
• nicht alle Leitungselektronen besitzen die selbe
Geschwindigkeit
• Elektronen mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit
gelangen mit geringerer Geschwindigkeit in das
Material mit höherer Elektronenbeweglichkeit;
Energieaufnahme durch Stöße
�Abkühlung der Kontaktstelle
(entgegengesetzter Übergang: Erwärmung)
•Berechnung des Wärmestroms:
IQ AB ⋅Π=&
ABΠ … Peltier-Koeffizient
[16]
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 15
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
[17]
[18]
2.3 Anwendungen
Peltier-Element
• Kühlmodule- kleine Kühlschränke / transportierbare Kühlboxen- Kühlfächer in Autos- Kühlung von wissenschaftlichen Geräten- exotische Anwendung: Autositzkühlung- Mikroprozessorkühlung in PCs
Vorteile: - Kompaktheit- genaue Einstellung der Temperatur- keine beweglichen Teile- geräuschlos- vibrieren nicht (im Gegensatz zu Kompressor-Kühlern)
Nachteil: - schlechter Wirkungsgrad (3-8%)
Matthias Neumann, Sebastian Paulik Folie 16
Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
Seminar AC II
23.05.2008
3. Zusammenfassung
• Seebeck-Effekt: - Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
- Ursache ist die Thermodiffusion
-
• Peltier-Effekt: - Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie
- Ursache ist die Thermodiffusion
-
• Materialien: - Blei-, Zinn-, Germanium-, Bismuth-, Tellur- und Selenverbindungen (Bi2Te3, Sb2Te3)
• Probleme: - Joulesche Wärme
- Wärmeleitung (meiste elektr. Leiter auch gute Wärmeleiter)
ABΠ … Peltier-Koeffizient
iS … Seebeck-Koeffizient
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Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische Materialien
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23.05.2008
• Thermoelektrische Spannungsreihe, bezogen auf Platin:
Bezugstemperatur 0°C, Temperaturdifferenz 100K
[16]
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Seminar AC II
23.05.2008
4. Quellen
Rolf Pelster, Reinhard Pieper, Ingo Hüttl, PhyDid, 2005, 1/4, S.10-22Mortimer Ch., Chemie, 1996, 6. Auflage, Georg Thieme Verlag, S. 469ff.Stroppe H, Physik, 2008, 14. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, S. 236ff.http://www.physik.uni-augsburg.de/umweltpraktikum/versuche/peltierelement.pdfhttp://thermalforce.de/de/download/theorie.pdfhttp://www.siteware.ch/peltier/http://www.uni-konstanz.de/FuF/Physik/Jaeckle/papers/thermospannung/Ursthesp2.htmlhttp://www.uni-konstanz.de/FuF/Physik/Jaeckle/papers/thermospannung/node2.htmlwww.physik.uni-halle.de/documents/2007-Sommerschule-Walzcak.pdf
[1] http://www.pelam.de/images/seebeck.jpg[2] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4d/ThomasSeebeck.jpg[3] http://www.pctheory.uni-ulm.de/didactics/elekleit/pics/pic007.gif[4] http://www.pctheory.uni-ulm.de/didactics/elekleit/pics/pic009.gif[5] http://www.termopares.com.br/jean_charles_athanase_peltier/01.jpg[6], [7], [8], [9], [15] Rolf Pelster, Reinhard Pieper, Ingo Hüttl, PhyDid, 2005, 1/4, S.10-22 [10] http://www.uni-konstanz.de/FuF/Physik/Jaeckle/papers/thermospannung/node1.html[11], [12], [17] http://www.physik.uni-halle.de/documents/2007-Sommerschule-Walzcak.pdf[13] www.uweelectronic.de/images/stories/Bilder_Temperaturmanagement/fuehler_zusammenstellung_04_ 300px.jpg[14] http://www.daviddarling.info/images/New_Horizons_instruments.gif[16] http://www.s-line.de/homepages/phoenix/peltier/peltier5.gif[18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/Peltierelement_16x16.jpg/800px-Peltierelement_16x16.jpg[19] Dietmar Mende, Günter Simon, Physik Gleichungen und Tabellen, 2005, 14. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, S.221