Seebeck-/Peltier-Effekt: thermoelektrische...

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)



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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)



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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



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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]



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• 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]



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• 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]



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• 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



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Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten

Seebeck-Koeffizient [µV/K]

[10]



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κ

σ⋅=

2S

Z

Thermoelektrische Effektivität

Z … thermoelektrische Effektivität

S … Seebeck-Koeffizient

σ … elektrische Leitfähigkeit

κ … Wärmeleitfähigkeit

κ

[11]



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Temperatur [K]

therm

oelektrische Gütezahl (ZT)

Beispiel: Bi2Te3 ( ) 13103,3300

−−⋅=≈ KKTZ

[12]



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• 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



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• 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]



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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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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]



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[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%)



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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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• Thermoelektrische Spannungsreihe, bezogen auf Platin:

Bezugstemperatur 0°C, Temperaturdifferenz 100K

[16]



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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

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