Seebeck-Effekt einfach erklärt: Prinzip, Anwendungen und Unterschiede zum Peltier-Effekt

Seebeck-Effekt ist ein physikalisches Phänomen, bei dem ein Temperaturunterschied in einem leitenden Material eine elektrische Spannung erzeugt. Dieser Effekt ermöglicht es, thermische Energie ohne bewegliche Teile direkt in elektrische Energie umzuwandeln.

Der Seebeck-Effekt findet Anwendung in thermoelektrischen Generatoren, Temperatursensoren und autarken Energiequellen. Im Folgenden erfahren Sie, warum Spannung entsteht, welche Rolle Materialeigenschaften spielen und wie dieses Prinzip praktisch genutzt wird.

Was ist der Seebeck-Effekt?

Der Seebeck-Effekt ist einer der grundlegenden thermoelektrischen Effekte und wurde 1821 vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt. Sein Kern besteht darin, dass bei einem Temperaturgradienten eine elektrische Potentialdifferenz im Material entsteht.

Stellen Sie sich einen Leiter vor, dessen ein Ende erhitzt und das andere kühl gehalten wird. Aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturverteilung beginnen sich die Ladungsträger im Material umzuverteilen. So entsteht zwischen den beiden Enden des Leiters eine elektrische Spannung.

Entscheidend ist, dass ein tatsächlicher Temperaturunterschied vorliegen muss, damit der Effekt auftritt. Wird der Leiter komplett gleichmäßig erwärmt, entsteht keine stabile thermoelektrische Spannung zwischen den Enden.

Wird ein äußerer Stromkreis angeschlossen, kann die entstandene Spannung einen Stromfluss verursachen. Diese Form der Energieumwandlung wird als Thermoelektrizität bezeichnet.

Die Höhe der Spannung hängt nicht nur vom Temperaturunterschied, sondern auch von den Materialeigenschaften ab. Verschiedene Metalle und Halbleiter zeigen bei gleichen Bedingungen unterschiedliche thermoelektrische Reaktionen.

Wie funktioniert der Seebeck-Effekt?

Dem Seebeck-Effekt liegt die Bewegung der Ladungsträger unter dem Einfluss eines Temperaturgradienten zugrunde. Wird ein Bereich des Materials erwärmt, ändert sich die Energieverteilung der Elektronen oder anderer Ladungsträger und es entsteht ein elektrisches Feld.

Warum entsteht elektrische Spannung?

In Metallen sind es freie Elektronen, die den elektrischen Strom transportieren. Wird ein Ende des Leiters stärker erhitzt, besitzen die Elektronen im heißen Bereich im Mittel mehr Energie und diffundieren in Richtung des kühleren Bereichs.

Dies führt zu einer Umverteilung der elektrischen Ladung. Das entstehende elektrische Feld wirkt dem weiteren Ladungstransport entgegen. In einem offenen Stromkreis stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem Thermodiffusion und elektrisches Feld im Gleichgewicht stehen.

In Halbleitern ist der Mechanismus komplexer, da dort sowohl Elektronen als auch Defektelektronen (Löcher) den Ladungstransport übernehmen. Je nach Typ des Halbleiters kann der Seebeck-Koeffizient positiv oder negativ sein.

Halbleiter liefern meist eine deutlich stärkere thermoelektrische Antwort als gewöhnliche Metalle. Deshalb werden sie in den meisten modernen thermoelektrischen Generatoren eingesetzt.

Seebeck-Koeffizient und Formel

Der Seebeck-Koeffizient gibt an, wie stark sich die elektrische Spannung bei Änderung des Temperaturunterschieds ändert. Er wird mit S bezeichnet und in Volt pro Kelvin (V/K), meist aber in Mikrovolt pro Kelvin (µV/K) gemessen.

Bei konstantem Seebeck-Koeffizienten lässt sich die Spannung näherungsweise berechnen mit:

U ≈ S · ΔT

• U - erzeugte elektrische Spannung
• S - Seebeck-Koeffizient für das Materialpaar bzw. die Differenz ihrer Koeffizienten
• ΔT - Temperaturunterschied zwischen heißem und kaltem Bereich

Das Vorzeichen der Spannung hängt von der gewählten Anschluss-Polarität ab.

Beispiel: Beträgt der effektive Seebeck-Koeffizient 200 µV/K und der Temperaturunterschied 50 K, ergibt sich:

U = 200 ⋅ 50 = 10.000 µV = 10 mV

Das bedeutet, bei einem Temperaturunterschied von 50 °C erzeugt das betrachtete thermoelektrische Paar eine Spannung von etwa 10 Millivolt.

In realen Anwendungen hängt der Seebeck-Koeffizient von der Temperatur ab, daher werden für genaue Berechnungen die Kennwerte der jeweiligen Materialien genutzt. Zudem bestimmt die Spannung allein nicht die entnehmbare Leistung - diese hängt zusätzlich vom elektrischen Widerstand und den Wärmeübertragungsbedingungen ab.

Anwendungsbereiche des Seebeck-Effekts

Der Seebeck-Effekt wird überall dort eingesetzt, wo aus Wärme elektrische Energie gewonnen oder Temperatur gemessen werden soll. Die bekanntesten Beispiele sind thermoelektrische Generatoren und Thermopaare.

Thermoelektrische Generatoren

Ein thermoelektrischer Generator (TEG) wandelt einen Temperaturunterschied direkt in elektrische Energie um. Im Gegensatz zu klassischen Kraftwerken benötigt er weder Turbinen noch andere bewegliche Teile.

Die Basis des Generators bilden Halbleiter-Elemente vom p- und n-Typ, die elektrisch in Serie und thermisch parallel geschaltet sind. Eine Seite des Moduls wird erhitzt, die andere gekühlt. Der entstehende Temperaturunterschied erzeugt eine Spannung, die zur Versorgung einer angeschlossenen Last genutzt werden kann.

Thermoelektrische Generatoren werden eingesetzt für:

• Stromgewinnung aus Abwärme von Industrieanlagen
• Versorgung von autarken Sensoren an schwer zugänglichen Orten
• Stromerzeugung in Raumfahrzeugen mit radioisotopischen Wärmequellen
• Erzeugung schwacher Stromquellen durch Nutzung von Umgebungswärme

Ihr Hauptvorteil: Es gibt keine beweglichen Teile, was den mechanischen Verschleiß minimiert. Allerdings ist der Wirkungsgrad begrenzt, da ein erheblicher Teil der durch das Modul fließenden Wärme nicht in Strom umgewandelt wird.

Thermopaare und Temperaturmessung

Ein Thermopaar ist ein Temperatursensor, der auf dem Seebeck-Effekt basiert. Es besteht meist aus zwei Leitern unterschiedlicher Materialien, die am Messende miteinander verbunden sind.

Unterscheidet sich die Temperatur der Messstelle von der der Referenzanschlüsse, entsteht in der Schaltung eine thermoelektrische Spannung. Durch deren Messung kann die Elektronik die Temperaturdifferenz bestimmen und daraus die Temperatur der Messstelle unter Berücksichtigung der Referenztemperatur berechnen.

Thermopaare sind weit verbreitet in Industrieöfen, Heizkesseln, Motoren und automatisierten Steuerungssystemen. Sie funktionieren auch bei hohen Temperaturen, sind einfach aufgebaut und benötigen keine separate Energiequelle für das Messsignal.

Die Messgenauigkeit hängt jedoch vom Typ des Thermopaares, der Verbindungsqualität und der korrekten Kompensation der Referenztemperatur ab.

Unterschied zwischen Seebeck- und Peltier-Effekt

Seebeck- und Peltier-Effekt sind beide thermoelektrische Phänomene, wirken jedoch in entgegengesetzten Richtungen.

Beim Seebeck-Effekt entsteht aus einem Temperaturunterschied eine elektrische Spannung. Wird eine Seite eines thermoelektrischen Moduls erhitzt und die andere gekühlt, erscheint an den Anschlüssen eine Spannung.

Der Peltier-Effekt tritt auf, wenn elektrischer Strom durch Verbindungen verschiedener Materialien fließt. Je nach Stromrichtung wird an einer Verbindung Wärme aufgenommen, an der anderen abgegeben. Deshalb kommt dieser Effekt in kompakten Kühlsystemen und Elektronikkühlungen zum Einsatz.

Beide Effekte sind physikalisch eng miteinander verbunden. Ein und dasselbe thermoelektrische Modul kann als Generator oder als Kühlvorrichtung funktionieren - die Effizienz hängt jedoch von Aufbau und Betriebsart ab.

Mehr über den Aufbau thermoelektrischer Kühler und deren Einsatzmöglichkeiten erfahren Sie im Beitrag "Peltier-Element: Funktionsweise, Aufbau und Anwendungen".

Fazit

Der Seebeck-Effekt ermöglicht es, Temperaturunterschiede in elektrische Spannung ohne mechanische Bewegung umzuwandeln. Auf diesem Prinzip basieren Thermopaare, autonome Sensoren und thermoelektrische Generatoren.

Die praktische Effizienz dieser Technologie hängt von den Materialeigenschaften, der Größe des Temperaturunterschieds und der Qualität des Wärmeaustauschs ab. Um Strom zu erzeugen, muss kontinuierlich ein Temperaturgefälle aufrechterhalten werden - einfaches Erwärmen des Geräts genügt nicht. Der Seebeck-Effekt ist deshalb besonders dort nützlich, wo Abwärme verfügbar ist oder eine zuverlässige, kleine Energiequelle benötigt wird.