Metallstange erwärmen...

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

Wenn ich eine einfache Metallstange erwärme, wie kann ich qualitativ mit dem Bändermodell die Wärmeentwicklung beschreiben?

Meine Idee:

Die Elektronen im Valenzband erhöhen ihre kinetische Energie und "springen in das Leitungsband. Desweiteren prallen die Elektronen der warmen Seite auf Elektronen der kalten Seite, die ebenfalls an kinetischer Energie gewinnen. Das setzt sich dann solange fort bis die Metallstange eine gewisse Grenzwärme erreicht hat.

Kann man das so erklären? Oder ensteht da noch irgendwie eine Potentialdifferenz o. ä.?

MfG
Maddin

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Dass Elektronen bei Erwärmung an Energie gewinnen und dadurch ein größere Teil von ihnen genug Energie hat, um (im Fall eines Halbleiters) ins nächsthöhere Band zu springen, ist eher ein Nebeneffekt (und ein Mechanismus, durch den Erwärmung mit einer Veränderung der Leitfähigkeit eines Halbleiters zu tun hat). Der größte Teil der Wärmeenergie wird viel eher von den Atomen aufgenommen werden, in Form von Gitterschwingungen (Phononen).

Worum geht es dir bei deiner Fragestellung hauptsächlich?

* Wo die Wärmeenergie vor allem hingeht?
* Wie sich die Leitfähigkeit (eines Halbleiters? eines Metalls?) bei Erwärmung verändert?
* Oder vielleicht gar darum, wie und unter welchen speziellen Umständen es zu Peltiereffekt und Seebeck-Effekt kommt (die beschreiben eine Wechselwirkung zwischen Temperaturen und Spannungen)?

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

Erstmal danke für deine Antwort Markus!

Es geht um letzteres. Ich schreibe eine Facharbeit über die drei thermoelektrischen Effekte und bin gerade bei der Erklärung des Bändermodells, um dann den Bogen allg. zur Wärmeleitung zu spannen und dann halt zum Seebeck und Peltier Effekt.

Darum geht es eigentlich bei meiner Fragestellung Big Laugh

MfG
Maddin

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Allgemeine Wärmeleitung ist da vielleicht eher ein Extragebiet, als dass es das Bindegleid zwischen Bändermodell und den thermoelektrischen Effekten darstellt, denn allgemein ist Wärmeleitung ja meistens mit anderen Mechanismen verknüpft. (oder dachtest du eher erstmal an ganz grundsätzliche allgemeine Feststellungen zum Thema Wärmeleitung, die auch hier noch Verwendung finden könnten?)

Magst du vielleicht bei so einem Gesamtthema zuerst einsteigen bei der Recherche, was der Peltiereffekt ist und was der Seebeck-Effekt ist, und von da aus dann das über Bänder und so nachschlagen, was du speziell dafür dann als Verständnisgrundlagen zu brauchen glaubst?

Welche Quellen hast du bisher schon zu Peltier- und Seebeck-Effekt gefunden und ausgewertet?

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

also ich habe verschiedene Internetquellen, Doktorarbeiten/Dissertationen durchgelesen und dann einfach angefangen zu schreiben. Dann ist so eine Gliederung enstanden:

Vorwort
2 Thermoelektrizität (Grundlagen)
2.1 Elektrische Leitungsvorgänge
2.2 Theorie der freien Elektronen in Metallen
2.3 Bändermodell bei Festkörpern
2.4 Bezug zur Thermodynamik
3 Seebeck Effekt
3.1 Physik des Seebeck Effekts
3.2 Thermosäule
3.3 Thermogenerator
4 Peltier Effekt
4.1 Physik des Peltier Effekts
4.2 Peltierelement
4.3 Anwendungsbeispiele
5 Thomson Effekt
6 Fazit

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Klar, gliedern und mal anfangen zu schreiben ist das eine.

Aber wie gehst du an die Sache heran, um dir das inhaltlich zu erarbeiten? Das Lesen der bisherigen Quellen scheint dich dem Verständnis einiger wichtiger Sachen noch nicht ganz so näher gebracht zu haben, und komplette Festkörperphysikvorlesungen eines Physikstudiums wirst du wahrscheinlich für dein Projekt nicht zu hören gedenken.

Was sind bisher die Quellen, die für dich am einfachsten und klarsten erklärt haben, worum es bei deinen Themen im wesentlichen geht? Wie weit schaffst du es damit schon, selbst zum Beispiel schon kurz zusammenfassen zu formulieren, was der Peltier-Effekt ist, oder zu formulieren, was das mit dem Bändermodell zu tun hat, ... ?

Was ist die beste Online-Quelle, die du bisher dazu gefunden hast? Wie weit bist du damit schon beim bisherigen Einarbeiten gekommen?

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

verstanden habe ich den effekt eigentlich es geht halt darum etwas tiefer in die physik zu gehen...

also einmal hat mir diese quelle geholfen

http://www.isabellenhuette.de/uploads/media/Thermoelektrizitaet.pdf

ausgehend davon, habe ich dann in einem Physik Studenten Buch einige Sachen nachgeschlagen

zum einfachen verständnis habe ich dann noch

http://www.siteware.ch/peltier/theorie.html

benutzt.
Das Bändermodell habe ich halt angesprochen da ich es beim peltier effekt

http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element

benötige um es qualitativ zu erklären, wobei ich da auch noch leichte probleme habe es nachzuvollziehen. denn ich erkkenne irgendwie den zusammenhang von dem bändermodell zum seebeck effekt nicht so perfekt...

mfg maddin

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Einverstanden, da hast du schon mal ein paar gute Quellen als Ausgangspunkte aufgetrieben smile

Bei deinem zweiten Link gibts auch noch die zugehörigen Seiten dazu, die man unter

http://www.siteware.ch/peltier/

findet.

Magst du vielleicht mal zusammenfassend in kurzer Form erzählen, wie der Peltier-Effekt funktioniert, und versuchen, das anhand von einem Bild zu zeigen, in dem du die Bänder der jeweiligen Materialien und ihre energetische Lage einzeichnest?

Ich vermute, so etwas könnte zu genau den Verständnisschritten führen, an denen du momentan stehen könntest.

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

http://www.uni-protokolle.de/foren/viewt/277756,0.html

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Maddin, bitte stelle deine Frage nicht gleichzeitig in verschiedenen Foren, ohne Bescheid zu sagen.

So etwas erweckt leicht den Eindruck, als wolltest du versuchen, viele gleichzeitig für dich arbeiten zu lassen, ohne selbst etwas beitragen zu wollen.

Und das widerspräche ja gerade im Fall einer Facharbeit krass den an dich gestellten Anforderungen selbständigen Arbeitens.

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

Tut mir leid, ich hätte es vorher sagen sollen. Ich kann den Beitrag im anderen Forum jetzt nicht mehr löschen, da ist aber sowieso nichts produktives bei rumgekommen...

Was ich noch kurz dazu sagen möchte: ich habe keinesfalls die Intention möglichste viele Leute für mich arbeiten zu lassen, um weniger selbständig zu arbeiten. Wie zuvor, falls es einen falschen Eindruck vermittelt tut es mir leid.

Zum Peltier Effekt:

(ausgehend von einer vorherigen Erläuterung des Seebeck Effekts)

Der Peltier Effekt ist die Umkehrung des Seebeck Effekts. Anstatt eines Galvanometers, wird eine Spannungsquelle angesetzt, welche einen Temperaturgradieten(=Temperaturunterschied?!) aufrechterhält. Bei dem Peltier Effekt haben wir in einem sog. Peltier Element mehrere Verbindungen zwischen n- und p-dotierten Halbleitern. Die Halbleiter haben je nach Dotierung ein unterschiedliches Energieniveau. Ein p-dotierter Halbleiter hat ein kleineres Energieniveau als ein n dotierter Halbleiter.(//ich hoffe ich bring hier jetzt nichts durcheinander//) Sorgt das elektr. Feld dafür, dass ein Stromfluss von einem n- dotierten zu einem p dotierten Halbleiter fließt passiert nun folgendes: Die Elektronen im n dotierten Leiter "füllen" die Löcher des p dotierten Halbleiters, welcher an kinetischer Energie gewinnt. Die Kontaktstelle wird kälter, da der größere Potentialtopf Elektronen an den kleineren Potentialtopf abgegeben hat.

So in der Art würde ich das erklären und so habe ich es auch verstanden. Ich könnte eventuell ein wenig Hilfe gebrauchen den Schritt/das Geschehen bei dem Übergang vom n dotierten zum p dotierten Halbleiter zu verstehen damit ich mehr mit Begriffen wie Valenzband und Leitungsband arbeiten kann.

MfG
Maddin

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Einiges davon geht bereits in eine gute Richtung smile

Manches davon, oft an den Stellen, an denen du das selber noch spürst, trifft das noch nicht so ganz den Punkt.

Magst du mal genauer nachlesen, um Fragen wie den folgenden auf die Spur zu kommen? :

* Wo sind die Elektronen im n-dotierten Halbleiter, die für den Stromfluss verantwortlich sind?

* Wo sitzen die Elektronen im p-dotierten Halbleiter, die für den Stromfluss verantwortlich sind?

* Was hat das mit den Bändern zu tun, wie liegen diese Bänder (Valenzband, Leitungsband) in einem Halbleiter?

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Vielleicht hilft dir an einem Punkt auch das Bild vom Wasserfall: Dort wo das Wasser runterfällt, setzt es Energie frei (mit der man Kraftwerke betreiben kann). Entsprechend setzt ein Elektronenwasserfall Energie frei, und es wird dort warm, wo dieser Wasserfall ist.

Um Wasser den Berg hinauf zu befördern, muss man Energie aufwenden (wie bei einem Pumpspeicherkraftwerk, da muss man die Pumpen anwerfen). Ebenso muss man Energie aufwenden, um Elektronen von unten nach oben zu befördern. An solchen Stellen wird diese Energie abgezogen, in Form von Wärmeenergie, also wird es an solchen Stellen kalt.

Kannst du so etwas mit "unten und oben" an das Anknüpfen, was du durch Nachlesen über die Bänder herausfinden kannst? Und kannst du damit vielleicht sogar versuchen, konkret in Bildform aufzumalen, was du bisher - und mit dem eben eventuell neu oder besser verstandenen - schon über die Funktionsweise eines Peltierelementes weißt?

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

ja also bei n dotierten halbleitern gibt es mehr elektronen im valenzband die nicht an atome gebunden sind und somit beweglicher sind. dh der strom fließt bei zimmertemperatur im leitungsband von - nach +. bei einem p dotierten halbleiter gibt es löcher durch fehlende elektronen im valenzband. bei nun ankommenden elektronen bewegen sich die überwiegend positiven atome in richtung der elektronen.

ich habe mich informiert, verstehe das aber immer noch nicht so gut.

also hier nocheinmal ein versuch zur erklärung(kurzform):

beim peltier element wird durch eine angelegte spannung ein enstehendes diffusionsfeld aufrechterhalten. bei dem übergang von einem p dotierten halbleiter zu einem n dotierten halbleiter passiert nun folgendes: die im valenzband des p halbleiters fehlenden elektronen bekommen durch die elektronen des n dotierten halbleiters......

ja an dem punkt hapert es so massiv... muss ich immer die kontaktstelle von metall und dotierterm halbleiter in betracht ziehen oder geht das auch mit dem kontakt zwischen p und n bzw n und p dotierten halbleitern... diesen letzten schritt brauche ich zum verständnis.
weil beim p dotierten halbleiter fehlen elektronen im valenzband. kommen nun elektronen angerauscht so wird diesem halbleiter energie zugeführt => abkühlung der kontaktstelle
wie läuft das dann beim n dotierten ab und wie muss ich den stromfluss bei halbleitern verstehen?

danke
mfg
maddin

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ui, versuch mal unbedingt zu vermeiden, bei dem, was du als Kurzerklärung schreibst, auf irgendwelche fertigen Teilsätze zurückzugreifen, in denen Fachbegriffe drin sind, mit denen du eventuell noch nichts anfangen kannst. Das Wort "Diffusionsfeld" war sicher nicht von dir, und du weißt ziemlich sicher nicht, was du damit sagen möchtest.

Ich habe den Eindruck, du musst nochmal gründlicher nachlesen, wo (bei welcher Energie, in welchem Band) die Elektronen in einem n-dotierten Leiter bzw. in einem p-dotierten Halbleiter dem Stromfluss machen.

Und nochmal nachlesen, woraus man ein Peltier-Element überhaupt baut. Was für ein Material braucht man da, oder was für Materialien?

Versuch möglichst viel nur in eigenen Worten zu sagen, nicht irgendwas gelesenes bis zu dem Wort wiederholen, das du jeweils nicht verstanden hattest. Zeige das verstandene unbedingt auch in Bildform, indem du Skizzen dazumalst.

Deine Methode, selbst zu merken, an welchen Stellen es bisher im Verständnis noch hakt, zum Beispiel weil sich manche Puzzleteile noch nicht zusammengefügt haben, ist prima. Versuch mal bei deinem Einarbeiten, dir damit selbst konkrete, einfache Fragen zu formulieren, die du dann jeweils mit Nachlesen in deinen Quellen zu beantworten versuchst. Und die Antworten unbedingt in eigenen Worten formulieren, sonst merkst du viel langsamer, was du noch nicht verstanden hast und vielleicht bisher immer erst ohne volles Verständnis abgeschrieben hast.

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

Ok meine neue Definition:

Ein p dotierter Halbleiter hat ein geringeres Energiepotential als ein n dotierter Halbleiter. Haben diese beiden Halbleiter nun eine Kontaktstelle so gleichen sich die einzelnen Potentiale/Potentialtöpfe aus. Der p dotierte Halbleiter erhält Elektronen(Energiezuführung), dem n dotierten werden welche abgezogen(Energieabgabe). Dadurch entsteht ein elektrisches Feld.

//Ich habe gerade das Problem zu verstehen ob ein p dotierter Halbleiter wirklich ein geringeres Energienievau hat, weil demnach würde er dann ja bei einem Stormfluss zu einem n dotiertem Halbleiter Energie zugeführt bekommen und sich somit die Kontaktstelle abkühlen.

Das würde aber den Skizzen und der Definition widersprechen.

"Da n-dotierte Halbleiter ein niedrigeres Energieniveau des Leitungsbandes aufweisen, erfolgt die Kühlung dabei an der Stelle, an der Elektronen von dem n-dotierten in den p-dortierten Halbleiter übergehen (technischer Stromfluss also vom p-dotierten zum n-dotierten Halbleiter)."

http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element

Ich benötige nur noch das Verständnis des Zusammenhangs von den verschieden Energieniveaus der Halbleiter.
Vielleicht habe ich auch einfach nur alles durcheinander gebracht...

Ich hoffe jemand kann mich aufklären.
Weil ich sehe die Potentialtöpfe als Ansammlung von Elektronen die ja im n dotierten Halbleiter ja größer ist und damit für mich ein größeres Energieniveau hat, aber da muss ich ja irgendwie was falsch verstanden haben.

MfG Maddin

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

Ich glaube ich habe es dank dieser Grafik verstanden:

http://www.peltier-info.com/animation1.gif

Bei einem n-dotierten Leiter fließt ein Elektronenstrom auf dem Leitungsband von - nach +, der die Wärme transportiert.
Bei einem p-dotierten Leiter fließt ein Defelektronenstrom(Löcherstrom durch fehlende Elektronen) auf dem Valenzband von + nach -, der die Wärme transportiert.

Jetzt verstehe ich auch das Prinzip von Dioden plötzlich Big Laugh

Das habe ich alles verstanden Big Laugh

Nur noch eine Sache:
Das Prinzip ist ja speziell bei Halbleitern so, weswegen sie sich ideal für ein Peltier Element eignen.
Doch was ist mit einfachen Metallen bzw. Metallverbindungen.
Aus:

http://www.siteware.ch/peltier/theorie.html

entnehme ich lediglich, dass die Verschiebung von Elektronen in den Potentialtöpfen durch eine angelegte Spannung einerseits Energie aufnimmt(Wärmeabnahme) und Energie freigibt(Wärmezunahme) die zu dem Peltier Effekt beitragen.

Kann ich da noch mit dem Bändermodell argumentieren(das dadurch beschreiben) oder das Verhalten der Elektronen auf den Energiebänder die zu einem Wärmezufuhr/Wärmeabfuhr damit erklären?

MfG
Maddin

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Hm, ich finde leider nicht, dass du damit schon mehr vom wesentlichen verstanden hast. Du hast lediglich erzählt, was eine Animation, die du gefunden hast, als vereinfachtes anschauliches Bild davon zu geben versucht hat.

Um die Sache mit den Bändern zu verstehen und zu erklären, würde ich diese Animation erstmal gar nicht verwenden. Die blendet dich nur mit ihrer scheinbaren Einfachheit und hält dich davon ab, die wesentlicheren Fragen zu den Bändern anzugehen.

Beachte, dass das Wort "Potentialtopf" in der Quelle, die du nennst, in Anführungszeichen steht. Denn es ist nicht im eigentlichen Sinn ein Potentialtopf wie in der Fachsprache der Physik, sondern eher als Bild gemeint für einen Behälter, bei dem die Elektronen um so mehr Energie haben, je weiter oben dieser Behälter ist. In so einem Sinn meint "Potentialtopf" in diesem Bild nichts anderes als ein Energieband.

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Eine Komplettversion der ganzen Story zu Bändern und Peltiereffekt möchte ich dir hier nicht hinschreiben, denn dann hättest du am Ende das große Problem, dass du die Facharbeit nicht selber gemacht hast.

Magst du trotzdem noch mal versuchen, den Tipps dazu, die ich dir bisher unterwegs schon ziemlich deutlich aufgeschrieben habe, näher nachzugehen, und die Hilfsfragen, die ich gestellt habe, fundiert zu beantworten?

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

Das mit dem "Potentialtopf" der nichts anderes ist als die Gesamtheit von Elektronen auf einem Energieband war eine wichtige Erkenntnis bzw. ein Missverständnis von mir, welches ich dank deiner Hilfe jetzt richtig verstehe.

Deine Fragestellungen helfen mir auch und natürlich erwarte ich auch keine Komplettlösung, die mir die Arbeit abnimmt. Es geht mir mehr um Richtigstellung, die du ja relativ mit deine an mir empfohlene Fragen ermöglichst.
Deswegen hier ein weiterer Versuch, der jetzt eigentlich stimmen sollte:
(kurz und knapp)
- n dotierte Halbeiter sind zu allen Metallen negativ. und umgekehrt bei p dotierten.
- beim Peltiereffekt: metall - p.halbleiter: die Elektronen beim Metall sind auf einem energetisch höheren Niveau(Leitungsband); ein elektr. Strom sorgt dafür, dass Elektronen vom Metall dem p Halbleiter hinzugefügt werden(Wärmeabfuhr durch => abkühlung)

Wo ist der Fehler? Wenn ich mir die Grafik bei

http://www.siteware.ch/peltier/theorie.html

anschaue, dann fließen Elektronen vom energetisch ungünstigeren Zustand zum besseren Energieband und nehmen Energie auf => Abkühlung.
Heißt das bei "Metall - p. Halbleiter - Metall" versuchen die Elektronen beim Metall ein gutes Energieniveau(Energieband) beim p-Halbleiter zu erreichen?
Und weil der Halbleiter dann genügend Elektronen auf dem Leitungsband besitzt gibt der diese an das Metall ab wobei dann Wärme ensteht?

MfG
Maddin

[EDIT] mich verwirren 2 schematische Zeichnungen momentan:
einmal

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/a/ad/Peltierelement_Schemazeichnung.png

und im totalen Widerspruch

http://www.physnet.uni-hamburg.de/institute/IAP/Group_K/___publications/Thermoelektrische_Multitalente.pdf

Seite 36 oben links (steht sogar noch im direkten widerspruch mit dem Bild daneben)

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Hm, das ist natürlich nicht leicht, Tipps beim Einarbeiten in ein Facharbeitsthema zu geben.

Einfach erzählen geht nicht wegen der Selbständigkeit, und mit Tipps geben hängt das natürlich immer stark davon ab, in welchem Tempo du selbst gerade schon dabei bist, dich reinzudenken.

Und wenn ich versuche, dir immer jeweils zu deinen Vermutungen ein Ja oder Nein dazuzusagen, dann verleite ich dich natürlich mehr dazu, zu raten und zu gucken was ich antworte, als dass du es wirklich selbst für dich so genau liest und so zusammensetzt, bis es wirlich anfängt, auch für dich schon Sinn zu geben.

Die beiden Bilder in den letztgenannten Quellen scheinen mir kein Widerspruch zueinander zu sein. Vielleicht sind sie ja nur ein Widerspruch zu deinen bisherigen Vermutungen, so dass du die nochmal kontrollieren und mit genauerem Nachlesen korrigieren musst? Oder du hast vielleicht nur einen Teil in so einer Skizze anders interpretiert, als es gemeint war?

Inwieweit dir das mit dem Wasserfallbild schon hilft, oder ob du einfach noch ein bisschen mehr Einarbeitungszeit im eigenen Tempo brauchst, um das nachzuvollziehen, weiß ich jetzt noch nicht.

Mein Gefühl ist, dass ich hier im Thread vielleicht ab und zu mit meinen Tippversuchen eher ein zu hohes Tempo angeschlagen habe, und dass du vielleicht lieber im eigenen Tempo auf deinem eigenen Weg zum genaueren Nachlesen und Verstehen besser zum Ziel kommst.

Mir scheint, du hast nun schon sehr viele gute Quellen zu dem Thema aufgetan, und du hast den Bogen raus, wie du im Zweifelsfall noch ein paar weitere finden kannst falls nötig. Meine Vermutung ist, dass es bei dir momentan hauptsächlich dadurch Fortschritte geben kann, indem du anfängst, dir daraus die am besten verständlichsten herzunehmen und die dann möglichst genau zu lesen, um die wichtigsten Fragen herauszuarbeiten und zu klären.

Maddin1 · Anmeldungsdatum: 10.11.2010 Beiträge: 15

ja das stimmt allerdings, vielen dank für die vielen antworten Augenzwinkern

bzw. fragestellungen die mir weitergeholfen haben... ich kann dir ja mal demnächst berichten wie die facharbeit bewertet wurde...

mfg maddin

und nochmals vielen dank Big Laugh