Peltier-Elemente

Wie funktionieren Peltier-Elemente?

Der französische Wissenschaftler Jean Peltier publizierte 1834 einen Artikel über seine elektrischen Experimente mit Kontaktstellen verschiedener Metalle. Als er die beiden Enden eines Bismut-Drahtes mit Kupferdrähten verband und diese an eine Batterie anschloss, um Strom fliessen zu lassen, stellte er fest, dass sich die eine Kontaktstelle erwärmt und die andere abkühlt. Bei Umkehrung des Stromflusses kehrt sich auch der Erwärmungs- und Abkühlungseffekt der beiden Kontakte um. Die Ursache dieses Effektes war zunächst nicht bekannt. Erst nachdem die Gesetzmässigkeiten der Thermoelektrik entdeckt worden waren, gab es eine Erklärung. Es handelt sich um energetische Ausgleichsvorgänge freier Ladungsträger (Elektronen, Löcher) an den Kontaktstellen, die sich abhängig vom Material auf unterschiedlichen Energienieveaus befinden. Für den Sprung auf ein höheres Energieneiveau entzieht der Ladungsträger der Umgebung Energie in Form von Wärme. Beim Fall auf ein niedrigeres Niveau gibt der Ladungsträger Energie in Form von Wärme ab. Es entsteht eine stromabhängige Temperaturdifferenz.

Schon 15 Jahre vorher hatte der preussische Wissenschaftler Johann Seebeck mit einem ähnlichen Versuchsaufbau herausgefunden, dass zwischen den beiden Kupferdrähten eine elektrische Spannung entsteht, wenn eine der beiden Kontaktstellen erhitzt wird. Sowohl der „Peltier-Effekt“ als auch der „Seebeck-Effekt“, der bei Thermo-Elementen genutzt wird, sind schon lange bekannt, liessen sich aber erst mit der Entwicklung moderner Technologien praktisch nutzen. Weil Peltier-Elemente und Thermo-Elemente ähnlich aufgebaut sind, lässt sich mit einem Peltier-Element auch eine elektrische Spannung erzeugen, indem die eine Seite erhitzt und die andere abgekühlt wird.