Thermoelektrizität

TEILE UND MATERIALIEN

• Länge des blanken (nicht isolierten) Kupferdrahts
• Länge des blanken (nicht isolierten) Eisendrahts
• Kerze
• Eiswürfel

Eisendraht ist im Baumarkt erhältlich. Wenn einige nicht gefunden werden können, funktioniert auch Aluminiumdraht.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 1, Kapitel 9:„Signale von elektrischen Instrumenten“

LERNZIELE

• Um die Funktion und den Zweck des Thermoelements zu veranschaulichen

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Verdrillen Sie ein Ende des Eisendrahts mit einem Ende des Kupferdrahts. Verbinden Sie die freien Enden dieser Drähte mit den entsprechenden Klemmen einer Klemmleiste. Stellen Sie Ihr Voltmeter auf den empfindlichsten Bereich ein und schließen Sie es an die Klemmen an, an denen die Drähte befestigt sind. Das Messgerät sollte fast keine Spannung anzeigen.

Was Sie gerade konstruiert haben, ist ein Thermoelement :ein Gerät, das eine kleine Spannung erzeugt, die proportional zum Temperaturunterschied zwischen der Spitze und den Anschlusspunkten des Messgeräts ist. Wenn die Spitze eine Temperatur hat, die der Klemmenleiste entspricht, wird keine Spannung erzeugt und daher keine Anzeige auf dem Voltmeter.

Zünde eine Kerze an und stecke die gedrehte Drahtspitze in die Flamme. Sie sollten eine Anzeige auf Ihrem Voltmeter bemerken. Entfernen Sie die Thermoelementspitze von der Flamme und lassen Sie sie abkühlen, bis die Voltmeteranzeige wieder fast Null ist. Berühren Sie nun mit der Thermoelementspitze einen Eiswürfel und notieren Sie die vom Messgerät angezeigte Spannung. Ist sie größer oder kleiner als die mit der Flamme erhaltene Anzeige? Wie ist die Polarität dieser Spannung im Vergleich zu der von der Flamme erzeugten?

Nachdem Sie den Eiswürfel mit der Thermoelementspitze berührt haben, erwärmen Sie ihn, indem Sie ihn zwischen Ihren Fingern halten. Es kann eine Weile dauern, bis die Körpertemperatur erreicht ist. Seien Sie also geduldig, während Sie die Anzeige des Voltmeters beobachten.

Ein Thermoelement ist eine Anwendung des Seebeck-Effekts :die Erzeugung einer kleinen Spannung proportional zu einem Temperaturgradienten entlang der Länge eines Drahtes. Diese Spannung ist abhängig von der Größe der Temperaturdifferenz und der Art des Drahtes. Die direkte Messung der Seebeck-Spannung, die von einem Temperaturgradienten entlang eines durchgehenden Drahtes erzeugt wird, ist ziemlich schwierig und wird daher in diesem Experiment nicht versucht.

Thermoelemente, die aus zwei unterschiedlichen Metallen bestehen, die an einem Ende verbunden sind, erzeugen eine Spannung proportional zur Temperatur der Verbindung. Der Temperaturgradient entlang beider Drähte, der aus einer konstanten Temperatur an der Verbindungsstelle resultiert, erzeugt unterschiedliche Seebeck-Spannungen entlang dieser Drahtlängen, da die Drähte aus unterschiedlichen Metallen bestehen.

Die resultierende Spannung zwischen den beiden freien Drahtenden ist die Differenz zwischen den beiden Seebeck-Spannungen:

Thermoelemente werden häufig als Temperaturfühler verwendet, da die mathematische Beziehung zwischen Temperaturdifferenz und resultierender Spannung sowohl wiederholbar als auch ziemlich linear ist. Durch Messung der Spannung kann auf die Temperatur geschlossen werden. Durch die Auswahl verschiedener zu verbindender Metallpaare sind unterschiedliche Temperaturmessbereiche möglich.