Thermoelektrizität: Thermoelemente und der Seebeck-Effekt verstehen

Teile und Materialien

• Stück blanker (unisolierter) Kupferdraht
• Stück blanker (unisolierter) Eisendraht (oder Aluminium falls nicht verfügbar)
• Kerze
• Eiswürfel

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 9: „Electrical Instrumentation Signals“

Lernziele

• Veranschaulichen, wie ein Thermoelement funktioniert und welchen praktischen Zweck es hat.

Schaltplan

Illustration

Experimentsanweisungen

1. Verdrehen Sie ein Ende des Eisendrahts mit einem Ende des Kupferdrahts. Verbinden Sie die freien Enden mit einer Klemmleiste. Stellen Sie ein Voltmeter auf seinen empfindlichsten Bereich ein und verbinden Sie es mit den Klemmleistenanschlüssen. Das Messgerät sollte nahezu null Spannung anzeigen.

2. Diese Anordnung ist ein Thermoelement, ein Gerät, das eine Spannung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen seiner Verbindung (der verdrehten Spitze) und den Referenzpunkten auf der Leiste erzeugt. Wenn die Spitzen-Temperatur der Leiste entspricht, ist die Spannung null.

3. Zünden Sie eine Kerze an und führen Sie die verdrehte Spitze in die Flamme. Beobachten Sie das Voltmeter: Eine positive Spannung sollte erscheinen. Entfernen Sie die Spitze, lassen Sie sie abkühlen, und bestätigen Sie, dass die Spannung nahe null zurückkehrt.

4. Berühren Sie die Spitze mit einem Eiswürfel. Notieren Sie die Spannung; beachten Sie, ob sie größer oder kleiner als die Flammenmessung ist und ob sich ihre Polarität umkehrt. Erwärmen Sie die Spitze dann, indem Sie sie zwischen den Fingern halten, und beobachten Sie, wie die Spannung gegen null tendiert.

5. Das Experiment demonstriert den Seebeck-Effekt – die Erzeugung einer Spannung aufgrund eines Temperaturgradienten entlang eines Leiters. Thermoelemente nutzen dieses Prinzip; die gemessene Spannung ist die Differenz zwischen den Seebeck-Spannungen der beiden ungleichen Metalle.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Ein Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen Metallen, die an einem Ende verbunden sind. Erlebt die Verbindung eine Temperaturdifferenz relativ zu den anderen Enden, entwickelt jedes Metall seine eigene Seebeck-Spannung. Die gemessene Spannung ist die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen:

Da der Zusammenhang zwischen Temperaturdifferenz und Spannung wiederholbar und weitgehend linear ist, werden Thermoelemente weit verbreitet als zuverlässige Temperatursensoren eingesetzt. Durch Auswahl verschiedener Metallpaare lässt sich der messbare Temperaturbereich anpassen.