1.2.2.5 Thermoelement und Thermosäule

Thermoelement, bei dem die Lötstellen auf den Temperaturen 0°C und 100 °C gehalten werden.

Ein Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen Metallen (z.B. Kupfer - Konstantan), die miteinander verlötet sind. Es wird die Temperaturabhängigkeit der Kontaktspannung zwischen beiden Metallen genutzt. Eine Lötstelle wird auf einer genau bekannten Temperatur gehalten, die andere Lötstelle wird auf die zu messende Temperatur gebracht. Aus der abgegriffenen Thermospannung kann man auf die Temperaturdifferenz der beiden Lötstellen und damit auf die unbekannte, zu messende Temperatur schließen.

Thermoelektrische Spannungsreihe in mV bezogen auf Platin bei 0°C und dem Metall bei 100°C	Konstantan	Kupfer
bezogen auf Pt	-3,4	+0,7

Experiment: Thermospannung

Um frei bewegliche Elektronen aus einem Metall herauszuschlagen, muss eine Austrittsarbeit W_A gegen die Anziehung der Elektronen durch die positiv geladenen Metallionen geleistet werden. Bringt man nun zwei Metalle mit unterschiedlicher Austrittsarbeit W_A in Kontakt, so fließen Elektronen vom Metall mit der kleineren Austrittsarbeit W_A1 in das Metall mit

. Durch die so entstehenden Raumladungen verschieben sich die Potenziale

in beiden Metallen. Dadurch entsteht eine Kontaktspannung

zwischen beiden Metallen, die von der Temperatur des Kontakts abhängt.

Für das Verhältnis der Teilchenzahldichten der Elektronen in beiden Metallen gilt näherungsweise die Boltzmann-Verteilung:

n₁, n₂ geben die Teilchenkonzentrationen bei den Energien E₁, E₂ mit an.

Durch die Kontaktspannung U ist die Differenz der Elektronen-Austrittsarbeit gegeben:

Damit folgt

Nernst-Gleichung

Das Verhältnis n₁/n₂ ist im wesentlichen durch die Austrittsarbeit bestimmt und weniger temperaturabhängig.

Damit bildet sich zwischen zwei Kontakten, die auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, eine Thermospannung aus mit

Thermospannung

Diese ist in weiten Temperaturbereichen proportional zur Temperatur-Differenz .

Thermosäule


Thermosäule von vorne.	Bei einer Thermosäule sind mehrere Thermoelemente hintereinander geschaltet.

Bei einer Thermosäule sind mehrere Thermoelemente hintereinander geschaltet.

Experiment: Thermosäule