Die Hauptenergieniveaus
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Die Hauptenergieniveaus |
In der Elektronenhülle der Atome nehmen die Elektronen unterschiedliche diskrete Energieniveaus ein. Die Anzahl Elektronen, mit der die einzelnen Energieniveaus maximal besetzt sein können, beträgt 2 n2. |
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Nebenenergieniveaus |
Diese Hauptenergieniveaus unterscheiden sich jetzt noch in Nebenenergieniveaus, sie bezeichnen die Orbitale der Elektronen. Jedes Orbital kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. |
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Bänder am Beispiel von Natrium |
Metalle und ihre Legierungen kristallisieren in Form von Metallgittern. Auch in den Metallgittern nehmen die Elektronen bestimmte Energieniveaus ein. Bei der Vielzahl der Elektronen in einem Metallgitter muss es also eine Vielzahl von Energiezuständen geben, die sich dann allerdings nur durch sehr geringe Beträge voneinander unterscheiden. An die Stelle des einzelnen Energieniveaus tritt auf diese Weise ein ganzes Bündel sehr eng beieinander liegender Energieniveaus. Diese liegen so dicht beieinander, dass die Elektronen ungehindert von einem ins andere übertreten können. Man bezeichnet eine solche Gruppe eng aneinander liegender Energieniveaus als Energieband. |
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Elektrische Leitfähigkeit tritt dann auf, wenn innerhalb eines Bandes viele freie Energiezustände vorhanden sind, so dass die Elektronen fliessen können. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das nächstenergiereichere unbesetzte Band mit einem besetzten Band überlappt, so dass die Elektronen vom einen ins andere übergehen können. Dies ist bei Metallen immer der Fall. Im Bereich dieser überlappenden Bänder nimmt die Dichte der Elektronen mit dem Abstand zum Atomkern drastisch ab. Das Energieniveau, bei welchem die Hälfte der möglichen Dichte erreicht ist, heisst Fermi-Level. Das Fermi-Level ist, wie aus den obigen Erläuterungen ersichtlich ist, stoffabhängig. Im weiteren ist es temperaturabhängig. Die Wärmeenergie wirkt sich (zu gewissen Teilen) in einer Erhöhung des Energieniveaus der Elektronen und damit auf das Fermi-Level aus. Das Fermi-Level erhöht sich nicht in jedem Material im gleichen Masse, das ist für das Verständnis des Peltier-Effekts grundlegend. Das Fermi-Level ändert sich auch wenn Elektronen zugefügt oder entfernt werden. So auch durch den Kontakt mit anderen Materialien. |
Diese Fragen und Antworten sind für all jene gedacht, die sich auch freiwillig noch ein paar Gedanken machen. Im weiteren stellen sie beileibe kein Definitivum dar. Im Gegenteil; Neue Fragen sollen genauso wie gefundene Antworten hier notiert werden. Natürlich auch Bemerkungen zu den Versuchen, etc.
Frage: Wir haben selbst bei 10 A nur einen geringen Effekt ausmachen können, wie soll damit jemand kühlen?
Antwort: Elemente welche effektiv zur Kühlung verwendet werden, stellt man aus Halbleitern her, z.B. Bismut-Tellurid. Klar wird dies, wenn man den vorngegeangenen Anhang gelesen hat. Bei Halbleitern sind das letzte bestzte Band und das nächste leere weiter auseinander, aber nicht unüberwindlich weit. Das resultiert in einer höheren Differenz der Fermi-Level und in einem ums Vielfache stärkeren Effekt.
Frage: Warum hat man noch keine besseren Materialien zum Bau von Peltier-Elementen gefunden?
Antwort: Selbst mit den Möglichkeiten heutiger Supercomputer und den Fortschritten in der Quantenmechanik ist es kaum möglich den Effekt vorherzusagen. So lagen die Forscher beispielsweise bei der Voraussage der Thermospannung von Bismuth-Tellurid ums Mehrfache daneben. In Halbleitern wie auch Metallen gibt es unvorhergesehene Interaktionen beispielsweise zwischen Phononen (quantenmechanische Energiequanten der Gitterschwingungen) und Elektronen wie auch unkontrollierbare Gitterstrukturbildungen und manches mehr...
Frage: Warum ist der Peltier-Effekt so unbekannt?
Antwort: Am Anfang dieses Jahrhunderts war man sehr enthusiastisch, schon bald im Besitze hocheffizienter Materialen zur thermoelektrischen Kühlung zu sein, als diese Hoffnungen dann enttäuscht wurden, war es erst mal ruhig. Schliesslich fand man dann einfach keine Zeit mehr für den Effekt, es gab soviel anderes, das es zu erforschen gab in diesem Jahrhundert. Nur die Sowjetunion forschte hinter dem eisernen Vorhang intensiv weiter, so steht in der Ukraine noch heute das einzige thermoelektrische Institut der Welt. Der Ostblock ist auch heute noch führend in dieser Technologie.
Frage: Kann man Peltier-Elemente einfach so kaufen?
Antwort: Aber sicher, schau doch mal im Internet (Siehe Literaturhinweise). Dort gibt es beispielsweise russische Firmen, die weltweit führende Technologie anbieten.
Stefan Ambühl
Christoph Rüegg
Arthur van Dorp
Januar 1998
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URL: http://www.siteware.ch/peltier/anhang.html Letztes Update: 25. September 1999 durch Christoph Rüegg. |
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