G05 Thermosäule

1. Wie ist eine Thermosäule aufgebaut?

Prinzip: Temperaturabhängigkeit der Thermospannung

Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der Kontaktspannung zwischen zwei verschiedenen Metallen (z.B. Kupfer - Konstantan) genutzt. Bei einem Thermoelement sind die zwei Metalle miteinander verlötet. 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.

Bei einer Thermosäule sind einfach mehrere Thermoelemente hintereinander geschaltet.

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 W_A2 > W_A1. Durch die so entstehenden Raumladungen verschieben sich die Potentiale F in beiden Metallen. Dadurch entsteht eine Kontaktspannung U = F₁ - F₂ zwischen beiden Metallen, die von der Temperatur des Kontakts abhängt.

In guter Näherung gilt für Elektronen im Metall die Boltzmann-Verteilung (eigentlich gilt die Fermi-Verteilung):

Dabei bedeuten n₁, n₂ die Teilchenkonzentrationen bei den Energien E₁, E₂ mit DE = E₁ - E₂ .

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

DE = - e (F₂ - F₁) = e U

Damit folgt

Dabei ist das Verhältnis n₁/n₂ 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

Diese ist in weiten Temperaturbereichen proportional zur Temperatur-Differenz DT.