Seebeck-Effekt

Was ist der Seebeck-Effekt?

Der Seebeck-Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein Temperaturunterschied zwischen zwei ungleichen elektrischen Leitern oder Halbleitern einen Spannungsunterschied zwischen den beiden Substanzen erzeugt.

Wenn einem der beiden Leiter oder Halbleiter Wärme zugeführt wird, fließen die erhitzten Elektronen in Richtung des kühleren Leiters oder Halbleiters. Wenn das Paar durch einen Stromkreis verbunden ist, fließt Gleichstrom durch diesen Stromkreis.

Seebeck-Effekt: Die wichtigsten Erkenntnisse

Der Seebeck-Effekt bezieht sich auf den Aufbau eines elektrischen Potenzials, der bei einem Temperaturgefälle zwischen verschiedenen elektrischen Leitern oder Halbleitern auftritt.

Hier sind einige wichtige Erkenntnisse zu diesem Phänomen:

• Die durch den Seebeck-Effekt erzeugten Spannungen sind gering, in der Regel nur einige Mikrovolt (Millionstel Volt) pro Kelvin Temperaturunterschied an der Verbindungsstelle zwischen den Leitern oder Halbleitern.
• Wenn der Temperaturunterschied groß genug ist, können einige Seebeck-Effekt-Geräte einige Millivolt (Tausendstel Volt) erzeugen.
• Mehrere solcher Geräte können in Reihe geschaltet werden, um die Ausgangsspannung zu erhöhen, oder parallel geschaltet werden, um den maximal lieferbaren Strom zu erhöhen.
• Große Anordnungen von Seebeck-Effekt-Bauelementen können nützliche elektrische Energie in kleinem Maßstab liefern, wenn eine große Temperaturdifferenz an den Verbindungsstellen aufrechterhalten wird.

Seebeck-Effekt: Erläuterung

Im Jahr 1821 entdeckte der deutsche Physiker Thomas Seebeck, dass sich eine Spannung im Stromkreis entwickelt, wenn zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen an zwei Enden zu einer Schleife verbunden werden und die beiden Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Dieses Phänomen ist daher nach ihm benannt.

Wenn einem der beiden Leiter oder Halbleiter Wärme zugeführt wird, erwärmt sich das Metall. Infolgedessen fließen die in diesem Metall vorhandenen Valenzelektronen in Richtung des kühleren Metalls. Dies geschieht, weil sich die Elektronen dorthin bewegen, wo die Energie (in diesem Fall die Wärme) geringer ist. Wenn die Metalle durch einen Stromkreis verbunden sind, fließt Gleichstrom durch den Stromkreis.

Diese Spannung beträgt jedoch nur wenige Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied. Die Wärmeenergie wird kontinuierlich von dem wärmeren Metall auf das kühlere Metall übertragen, bis schließlich ein Temperaturgleichgewicht erreicht ist.

Der Seebeck-Effekt und der daraus resultierende thermoelektrische Effekt sind ein reversibler Prozess. Wenn der heiße und der kalte Übergang vertauscht werden, fließen die Valenzelektronen in die andere Richtung und ändern auch die Richtung des Gleichstroms.

Seebeck-Effekt und Thermoelemente

Das Metalldrahtpaar, das den Stromkreis bildet, wird als Thermoelement bezeichnet. In größerem Maßstab und aufgrund des Seebeck-Effekts werden Thermoelemente zur ungefähren Messung von Temperaturunterschieden verwendet. Sie werden auch verwendet, um elektronische Schalter zu betätigen, die große Systeme ein- und ausschalten können, eine Fähigkeit, die in der thermoelektrischen Kühltechnik eingesetzt wird.

Seebeck verwendete in seinem Experiment Kupfer und Wismut. Andere gängige Thermoelement-Metallkombinationen, die heute verwendet werden, sind unter anderem die folgenden:

• Konstantan und Kupfer
• Konstantan und Eisen
• Konstantan und Chromel
• Konstantan und Alumel

Anwendungen des Seebeck-Effekts

Es gibt zahlreiche Anwendungen des Seebeck-Effekts. Neben seiner Verwendung in Thermoelementen zur Messung von Temperaturunterschieden wird das Phänomen auch auf folgende Weise genutzt:

• in Thermopiles (das heißt in einer Umgebung, in der mehrere Thermoelemente in Reihe geschaltet sind);
• in thermoelektrischen Generatoren, die als Wärmekraftmaschinen fungieren;
• in Kraftwerken zur Umwandlung von Abwärme in (zusätzlichen) Strom;
• in Automobilen als thermoelektrische Generatoren, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen;
• in hochfrequenten elektrischen Leistungssensoren;
• zur Überprüfung des Materialabbaus und des Strahlungsniveaus sowie zur Durchführung von Festigkeitsprüfungen radioaktiver Materialien (die sich mit der Temperatur über einen bestimmten Zeitraum verändern); und
• zur Betätigung von Sicherheitsalarmen oder Schaltern.

Spin-Seebeck-Effekt

Im Jahr 2008 entdeckten Physiker den Spin-Seebeck-Effekt (SSE). Dieser Effekt bezieht sich auf die Erzeugung einer Spin-Spannung, die durch einen Temperaturgradienten in einem Ferromagneten verursacht wird. Dieser Gradient ermöglicht die thermische Injektion von Spin-Strömen aus dem Ferromagneten in ein nichtmagnetisches Metall. Diese Injektion findet auf einer makroskopischen Skala von mehreren Millimetern statt.

SSE wird sichtbar, wenn einem magnetisierten Metall Wärme zugeführt wird. Infolgedessen ordnen sich die Elektronen entsprechend ihrem Spin neu an. Im Gegensatz zur normalen Elektronenbewegung entsteht bei dieser Umordnung keine Wärme als Abfallprodukt.

Der Effekt kann zur Entwicklung von kleineren, schnelleren und energieeffizienteren Mikrochips oder Schaltern sowie von Spintronik-Bauteilen führen.

Seebeck-Effekt versus Peltier-Effekt

1834 entdeckte Jean Peltier, ein französischer Uhrmacher, einen zweiten thermoelektrischen Effekt, der später als Peltier-Effekt bezeichnet wurde. Peltier beobachtete, dass, wenn ein Strom durch einen Stromkreis fließt, der eine Verbindung zweier ungleicher Metalle enthält – ähnlich wie beim Seebeck-Effekt –, an der Verbindung entweder Wärme absorbiert oder freigesetzt wird. Diese Absorption oder Freisetzung hängt von dem verwendeten Metallpaar und der Stromrichtung ab.

Sowohl beim Seebeck-Effekt als auch beim Peltier-Effekt geht es um Schaltkreise aus ungleichen Metallen sowie um Wärme und Strom. Bei beiden handelt es sich außerdem um reversible Prozesse. Doch trotz dieser Ähnlichkeiten gibt es auch einige Unterschiede zwischen diesen Effekten.

Der Seebeck-Effekt tritt auf, wenn die beiden Enden eines Thermoelements unterschiedliche Temperaturen haben, was dazu führt, dass Strom vom heißen zum kalten Metall fließt.

Beim Peltier-Effekt wird ein Temperaturunterschied zwischen den Verbindungsstellen erzeugt, wenn elektrischer Strom über die Anschlüsse fließt. Bei einem Kupfer-Konstantan-Thermoelement, bei dem der Strom an der Verbindungsstelle von Kupfer (+) zu Konstantan (-) fließt, wird Wärme absorbiert. Wird die Stromrichtung jedoch umgekehrt, das heißt von Konstantan (-) zu Kupfer (+), so wird Wärme freigesetzt.