Den Seebeck-Effekt verstehen

Thermoelektrizität ist, wie ich es verstehe, der Spannungsunterschied zwischen den heißen und kalten Enden zweier unterschiedlicher Materialien. Wenn zwei Materialien an zwei verschiedenen Verbindungsstellen verbunden sind, setzt die heiße Verbindungsstelle effektiv Elektronen frei, die zusammen mit der Wärme zur kalten Verbindungsstelle fließen.

Alle Diagramme, die ich finden konnte, zeigten genau zwei Materialien, die sowohl am heißen als auch am kalten Ende verbunden waren. Damit bei der Übertragung des Stroms die heiße Seite heiß und die kalte Seite kalt bleibt, ist idealerweise eine Substanz erwünscht, die Strom gut leitet, Wärme aber schlecht. Das ist der Maßstab für Qualität. Eine gute Übersichtsarbeit ist: New Directions for Low-Dimensional Thermoelectric Materials von Dresselhaus et al.

„ZT= S2rT/j, wobei S, r, T und j jeweils der Seebeck-Koeffizient, die elektrische Leitfähigkeit, die Temperatur und die Wärmeleitfähigkeit sind“

Um die Effizienz eines Thermoelements zu maximieren, müssen Materialien gefunden werden, die Wärme schlecht leiten, während sie Elektrizität gut leiten. In der Praxis ist das schwierig, daher versuchen sie bei der Konstruktion von Nanomaterialien, Phononen zu streuen, während sie keine Elektronen streuen.

Fragen:

  1. Wie baut man eine Reihenschaltung mit vielen Thermoelementen? Sicherlich muss dies getan werden, aber wenn ich ein Diagramm zeichne, kann ich mir keinen Weg einfallen lassen, der nicht so aussieht, als würden zwei identische Thermoelemente einfach in entgegengesetzte Richtungen arbeiten. Dies wird unten beantwortet (und danke), aber beachten Sie, dass der Antwortende in Bezug auf die Notwendigkeit der Wärmeleitfähigkeit falsch ist. Im Idealfall möchte man diese Dinger isolieren und möglichst wenig Wärme erzeugen und so viel Strom wie möglich produzieren.

  2. In dem von der Antwort gezeichneten Diagramm zeigt es eine Thermosäule als Zick-Zack-Verbindung zweier Materialien zwischen heiß und kalt. Das macht jetzt, wo ich es sehe, absolut Sinn, aber transportiert Material A Elektronen von heiß nach kalt, während Material B sie von kalt nach heiß transportiert? Ich dachte, ich hätte den Seebeck-Effekt intuitiv als eine Befreiung von Elektronen vom heißen Ende verstanden, effektiv durch "Losschütteln", aber es scheint, dass ein Material das Gegenteil tun muss? Ich vermute, dies ähnelt der galvanischen Wirkung, bei der ein Material möchte, dass ein Elektron eine Valenzschale vervollständigt, und das andere eines abgeben möchte?

  3. Ich habe jetzt ein Diagramm gezeichnet, das ein einzelnes Thermoelement, eine Thermosäule gemäß der folgenden Antwort und meine Frage zeigt, ob Sie ein drittes Material einführen können, das die anderen beiden verbindet. Ich vermute, Sie können, und dass unabhängig von seinem Elektropotential, da es symmetrisch ist, es keinen anderen Einfluss auf die Spannung der Thermosäule als seinen Widerstand haben sollte.Diagramme von Thermosäulen

Dov, ich denke, es wäre besser, wenn Sie diese beiden Fragen getrennt stellen würden. Bearbeiten Sie einen dieser Posts und machen Sie daraus einen neuen Post. Sie können auf dieses verlinken, um den Kontext bereitzustellen.

Antworten (2)

Damit bei der Übertragung des Stroms die heiße Seite heiß und die kalte Seite kalt bleibt, ist idealerweise eine Substanz erwünscht, die Strom gut leitet, Wärme aber schlecht.

Es wird angenommen, dass die beiden Enden mit Wärmequellen oder -senken verbunden sind, die an diesen Knoten eine konstante Temperatur aufrechterhalten. Heiße Elektronen und kalte Elektronen bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch das Material, was zu einem Nettofluss elektrischer Ladung zu einem Ende führt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Seebeck_coefficient#Charge_carrier_diffusion

  1. Wie baut man eine Reihenschaltung mit vielen Thermoelementen? Sicherlich muss dies getan werden, aber wenn ich ein Diagramm zeichne, kann ich mir keinen Weg einfallen lassen, der nicht so aussieht, als würden zwei identische Thermoelemente einfach in entgegengesetzte Richtungen arbeiten.

Eine Reihenschaltung von Thermoelementen wird als „ Thermosäule “ bezeichnet. Es ist so angeschlossen:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  1. Angenommen, Sie nehmen zwei Materialien mit einem Elektropotential: Kobalt und Lithium. Wenn Sie zwei Verbindungen zwischen ihnen herstellen könnten, eine kalt und eine heiß, könnten Sie dann ein drittes Material (Kupfer) nehmen und es verwenden, um die beiden Verbindungen zu verbinden? Macht das den thermoelektrischen Effekt kaputt?

Nicht sicher, was Sie fragen. Sie wollen Drähte aus Lithium, Kobalt und Kupfer parallel schalten?

Die Frage nach einem dritten Metall entstand aus seinen Problemen, sich eine Thermosäule vorzustellen, nehme ich an.
Vielen Dank für die Aufklärung meines Missverständnisses, das Diagramm eines Thermoelements zeigt immer zwei Übergänge mit beiden Materialien, und es ist nicht möglich, diese in Reihe zu schalten. Ich werde die ursprüngliche Frage ändern, um ein Diagramm dessen zu zeigen, was ich zu einem dritten Material frage
Diese Antwort impliziert immer noch, dass die Effizienz eines Thermoelements nicht auf einer guten elektrischen Leitfähigkeit und einer schlechten Wärmeleitfähigkeit basiert. Dies ist einfach nicht wahr, wie aus dem von mir zitierten Papier hervorgeht. Man kann zwar eine konstante Temperatur halten, aber es geht darum, dies mit MINIMALEM ENERGIEEINSATZ zu tun. Der Wirkungsgrad aktueller Thermoelementgeneratoren liegt in der Größenordnung von 6 % und bei Zt von 4,0 könnte er 30 % betragen.
@Dov: Ich verstehe nicht. Der Seebeck-Effekt beruht darauf, dass sich heiße Elektronen schlechter durch das Metall bewegen als kalte Elektronen, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Die wichtige Eigenschaft zur Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten für ein Material ist also, dass die Wärmeleitfähigkeit energieabhängig ist.
@Dov: Wikipedia sagt: "Die Effizienz, mit der ein thermoelektrisches Material elektrische Energie erzeugen kann, hängt von mehreren Materialeigenschaften ab, von denen der vielleicht wichtigste der [Seebeck-Koeffizient] ist." „Es ist wichtig zu beachten, dass der Seebeck-Koeffizient eines Materials umgekehrt proportional zu seiner Ladungsträgerdichte ist. Daher haben Isolatoren tendenziell sehr hohe Seebeck-Koeffizienten, während Metalle aufgrund ihrer hohen Ladungsträgerkonzentration niedrigere Werte haben.“ Auch: en.wikipedia.org/wiki/…
Diese Antwort hat mehrere Probleme. Anders als in dieser Antwort angegeben, gibt es keinen Nettoladungsfluss, wenn die beiden Enden auf einer festen Temperatur gehalten werden und ein stationärer Zustand erreicht ist. Die „Diffusion“ von Elektronen führt nur kurzzeitig zu einem Nettoladungsfluss. Und es ist vielleicht nicht einmal ein rein diffusiver Prozess.
Zweitens, ja, ein gutes thermoelektrisches Material hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit, anders als in dieser Antwort behauptet.
@coniferous_smellerULPBG-W8ZgjR Wenn es einen geschlossenen Stromkreis gibt, ja, dann fließt die Ladung für immer weiter. Wenn ein offener Stromkreis vorhanden ist, fließt er nur für eine vorübergehende Zeit und bleibt dann auf einer konstanten Spannung.
@coniferous_smellerULPBG-W8ZgjR „Ein ideales thermoelektrisches Material hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, um die Joule-Erwärmung zu minimieren, eine hohe Thermokraft, um die pro Grad Temperaturgradient erzeugte Spannung zu maximieren, und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, um einen hohen Temperaturgradienten zwischen den Seiten aufrechtzuerhalten andere Temperatur." „Um als geeignet zu gelten, sollten sich thermoelektrische Materialien durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit, einen großen Seebeck-Koeffizienten und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.“
@endolith Ich weiß das alles, das stimmt mit dem überein, was ich geschrieben habe, und widerspricht dem Einwand, mit dem Sie Ihre Antwort beginnen.
@coniferous_smellerULPBG-W8ZgjR Sie sagten, es "führt nur für eine kurze Übergangszeit zu einem Nettoladungsfluss", was nicht korrekt ist, wenn es einen Strompfad gibt
@endolith natürlich natürlich. Ein geschlossener Pfad war jedoch nicht der Fall, und wenn dies der Fall wäre, wäre Ihre Erklärung immer noch falsch, da Sie aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit der heißen und kalten Elektronen zu einem bestimmten Ende einen Nettoladungsfluss behaupten, während der Ladungsfluss fällig wäre auf das elektrische Feld, das durch den Seebeck-Effekt entsteht.
@coniferous_smellerULPBG-W8ZgjR Der Seebeck-Effekt ist auf die unterschiedliche Geschwindigkeit der heißen und kalten Elektronen zu jedem bestimmten Ende zurückzuführen: "Wenn etwas das Ungleichgewicht der Diffusion heißer / kalter Elektronen ändert, kann auf einer Seite relativ zur anderen eine Nettoladung entstehen . Wenn beispielsweise heiße Elektronen stärker gestreut werden als kalte Elektronen, ist der Elektronenfluss von heiß nach kalt geringer als von kalt nach heiß, wodurch ein Ladungsungleichgewicht und damit eine „Thermospannung“ entsteht.“
@coniferous_smellerULPBG-W8ZgjR "Wenn zwei Enden eines Leiters auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, diffundieren Elektronen an der heißen Verbindungsstelle bei höheren thermischen Geschwindigkeiten zur kalten Verbindungsstelle." Wie auch immer, die Frage wurde seit meiner Antwort geändert, also werde ich sie aktualisieren
@endolith Ich stimme Ihren beiden letzten Kommentaren zu. Beachten Sie, dass diese Diffusion im Gegensatz zu dem, was Sie zuvor geschrieben haben, nicht zu einem Nettostrom führt, es sei denn, Sie konzentrieren sich auf die Transiente, die nicht lange anhält. Dem stationären Zustand fehlt dieser Nettostrom trotz der Tatsache, dass Elektronen aufgrund des Temperaturgradienten immer noch diffundieren.
@coniferous_smellerULPBG-W8ZgjR Was verursacht dann den Nettostrom in einer thermoelektrischen Schleife? m.eet.com/media/1114989/c0773-figure1.gif
Das durch den Seebeck-Effekt erzeugte elektrische Feld (das durch die "Diffusion" der Elektronen aufgrund des Temperaturgradienten erzeugt wird).
@coniferous_smellerULPBG-W8ZgjR Ich verstehe nicht, wie sich das von dem unterscheidet, was ich gesagt habe
Kurz gesagt, Sie sagen, dass es einen Nettodiffusionsstrom gibt, dh einen Strom, der durch die Diffusionsladungen erzeugt wird. In Wirklichkeit gibt es keinen solchen Nettostrom, da ihm ein Driftstrom entgegenwirkt, der aus der Ladungsverteilung entsteht, die ein elektrisches Feld erzeugt, das dem Diffusionsstrom perfekt entgegenwirkt. Dies ist die stationäre Situation in einem offenen Stromkreis.
Bei einem geschlossenen Kreislauf verhält es sich ähnlich, aber es verkompliziert die Sache ohne Grund, wenn es darum geht, den Seebeck-Effekt zu verstehen. Der Nettostrom ist kein Diffusionsstrom, der durch das Delta T verursacht wird. Es ist ein Driftstrom, der durch ein elektrisches Feld verursacht wird. Die Tatsache, dass dieses elektrische Feld aus dem Seebeck-Effekt entsteht, der sich tatsächlich mit einem Diffusionsstrom befasst (aber nicht ausschließlich, wie mein vorheriger Kommentar oben erklärt), bedeutet nicht, dass es aufgrund von Diffusion einen Nettostrom gibt.

Ich schreibe diese Antwort aus mehreren Gründen. Erstens ist die derzeit akzeptierte Antwort falsch. Zweitens beantwortet diese Antwort nicht einmal die aktualisierte Frage nach einem dritten Material. Drittens beantwortet es Frage 2 nicht.

1) Der Fragesteller hat seine eigene Frage bereits dank des Endolith-Diagramms beantwortet, obwohl der Fragesteller richtig darauf hingewiesen hat, dass Endolith falsch ist, da "Wärme gut von einem Ende zum anderen fließt". NEIN! Ein gutes thermoelektrisches Material hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit! Dies ist heutzutage ein sehr aktives Forschungsthema: Wissenschaftler versuchen, viele Wege zu finden, um den Gitterbeitrag zur Wärmeleitfähigkeit zu verringern. Darüber hinaus behauptet Endolith, dass man im Allgemeinen Oberflächen mit konstanter Temperatur hat, in denen das thermoelektrische Material eingebettet ist, und dass sich diese Temperaturen nicht ändern. Das ist nicht wahr. Im Allgemeinen hat man eine bestimmte Wärmequelle (könnte die Sonne, ein Motor, ein Joule-Effekt in Draht sein), die eine Oberfläche erwärmt (z. B. die des heißen Teils des Thermogenerators oder der Thermosäule). aber diese Temperatur wird natürlich durch die Wärmeübertragung zum kalten Teil beeinflusst. Mit anderen Worten, die Wahl der thermoelektrischen Materialien hat Einfluss auf die Temperaturdifferenz! Eine korrektere Bemerkung wäre also "Wärme fließt von einem Ende zum anderen" oder "Wärme fließt von einem Ende zum anderen, obwohl gute thermoelektrische Materialien eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben, die sich (negativ) auf diesen Wärmefluss auswirkt".

2) Normalerweise bestehen die Materialien A und B aus n-Typ- bzw. p-Typ-Halbleitern. Die Elektronen bewegen sich also je nach Material A oder B, wie Sie sagen, zu einem anderen Ende. In Materialien vom p-Typ sind die Ladungsträger Löcher, die sich an der kalten Seite ansammeln. Bei einem Halbleiter vom n-Typ sammeln sich die Elektronen (das sind die Ladungsträger) am kalten Ende. Das Ergebnis ist, dass sich die Spannung aufgrund des Seebeck-Effekts in jedem Material summiert. Um Ihre Frage zu beantworten: Ja, die Materialien A und B machen das Gegenteil und der Grund dafür ist, dass sie entgegengesetzte Ladungsträger haben.

3) Sie liegen falsch, wenn Sie behaupten, "da es symmetrisch ist, sollte es außer seinem Widerstand keinen Einfluss auf die Spannung der Thermosäule haben". Wenn Sie ein Setup wie das in Ihrem Bild durchführen, stellen Sie leider fest, dass Sie, obwohl sich die Seebeck-Spannungen in Material C effektiv aufheben (wenn es eine gerade Anzahl davon gibt), auch den Temperaturunterschied in Ihren Materialien A und verringern Material B, weil sie jetzt viel kürzer sind und nicht den ganzen Temperaturunterschied zwischen kalter und heißer Seite haben. Die Gesamtspannung wird also reduziert. Sie können jedoch ein drittes Material einführen, und Ihre Schlussfolgerung würde gelten, wenn es entlang der kalten und heißen Seite platziert würde. Und genau das tun Menschen, wenn sie einen thermoelektrischen Generator (TEG) bauen, um die p- und n-Typ-Beine zu verbinden.

Den Seebeck-Effekt verstehen
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