3.7 Thermospannung 281

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1 3.7 Thermospannung Thermospannung SICHERHEITSHINWEIS: Trockeneis ist eine tiefkalte Substanz und kann bei Berührung der Haut Verletzungen erzeugen, die denen von Verbrennungen sehr ähnlich sind. Bitte halten Sie sich bei der Handhabung an die Anweisungen der Betreuerin/des Betreuers. Ziel Bestimmung der Abhängigkeit der Thermospannung zwischen zwei Lötstellen von ihrer Temperaturdifferenz mit Hilfe einer Kompensationsschaltung. Im Versuch wird die Materialkombination Kupfer/Nickel untersucht. Hinweise zur Vorbereitung Die Antworten auf diese Fragen sollten Sie vor der Versuchdurchführung wissen. Sie sind die Grundlage für das Gespräch mit Ihrer Tutorin/Ihrem Tutor vor dem Versuch. Informationen zu diesen Themen erhalten Sie in der unten angegebenen Literatur. Was ist Thermospannung und wie kommt es zu diesem Effekt? Was versteht man unter Thermodiffusion? Welche drei Effekte stehen in direktem Zusammenhang mit der Thermoelektrizität? Wieso benötigt man die thermoelektrische Spannungsreihe? Wie funktioniert die Kompensationsmessung in diesem Versuch? Zubehör zusammengelötete Drähte aus Kupfer und Nickel zwei Bechergläser Messzylinder (100 ml) aus Glas zwei Quecksilberthermometer Präzisionspotentiometer (R v =77.8 Ω, 20 Umdrehungen) fester ohmscher Widerstand R f = 100.8kΩ Gleichspannungsnetzgerät 0V bis 20V zwei Multimeter als Spannungsmessgeräte Eis Trockeneis

2 Versuche zur Thermodynamik Grundlagen Die physikalischen Grundlagen der Thermospannung sind in dem sehr empfehlenswerten Artikel Thermospannungen viel genutzt und fast immer falsch erklärt von Rolf Pelster et al. ausführlich dargestellt [PPH05], so dass in dieser Stelle auf eine Wiederholung der Darstellung verzichtet werden soll. Der Artikel ist im Internet abrufbar (siehe Literaturhinweise am Ende dieser Versuchsanleitung). Alternativ findet sich auch eine ausführliche und gut verständliche Erklärung der Thermospannung in einem Aufsatz von Josef Jäckle aus dem Jahr 1998 [Jäc98b] (englische Version: [Jäc98a]). Thermospannung und Kontaktspannung In einigen Lehrbüchern wird die Thermospannung (Galvani-Spannung) als Folge der Temperaturabhängigkeit der Kontaktspannung (Volta-Spannung) zwischen zwei Metallen dargestellt. Dies trifft nicht zu, wie in [PPH05, Jäc98b, Jäc98a] ausführlich begründet wird. Kompensationsmessung In Abbildung ist das Schaltbild zur Messung der Thermospannung durch Kompensation dargestellt. Abbildung : Kompensationsschaltung zur Messung der Thermospannung. Der feste Widerstand hat den Wert R f = kω, der variable Widerstand R v ist als Potentiometer geschaltet und der abgegriffene Anteil über insgesamt 20 Umdrehungen von 0 Ω bis 77.8 Ω einstellbar.

3 3.7 Thermospannung 283 Versuchsdurchführung 1. Bauen Sie die Kompensationsschaltung nach Abbildung auf. Hinweis: Für die beiden Versuchsteile ergeben sich unterschiedliche Vorzeichen der Thermospannung. Wie müssen Sie das bei der Schaltung berücksichtigen? 2. Stellen Sie am Netzgerät eine Gleichspannung von ca. 10 V ein. 3. Halten Sie während des gesamten Versuchs eine der Lötstellen in einem Becherglas miteiswasserauft =0 C(häufig umrühren!). 4. Füllen Sie einen Messzylinder (100 ml) aus Glas mit Äthanol und stellen Sie ihn auf die Heizplatte. Geben Sie nach und nach Trockeneis hinzu, bis die Temperatur nichtmehrweiterabsinkt(t< 70 C). Stecken Sie die zweite Lötstelle in die kalte Flüssigkeit und messen Sie die Thermospannung als Funktion der Temperatur, während der Alkohol von der Heizplatte langsam wieder bis auf 0 Cerwärmt wird. 5. Stellen Sie die Heizplatte ab und ersetzen Sie das Gefäß mit dem Alkohol durch ein Becherglas mit Wasser. Heizen Sie das Wasser bis zum Siedepunkt und messen Sie die Thermospannung U thermo als Funktion der Temperaturdifferenz T. Auswertung 1. Zeichnen Sie ein Diagramm der Thermospannung als Funktion der Temperaturdifferenz. Tragen Sie sowohl die Daten aus Punkt 4 als auch die Daten aus Punkt 5 der Versuchsdurchführung ein. 2. Bestimmen Sie die Ausgleichsgerade für die Messpunkte mit T 0 C (Punkt 4). 3. Berechnen Sie die mittlere Empfindlichkeit des Thermoelementes für das jeweils untersuchte Temperaturintervall (d. h. den Quotienten U thermo aus der Thermospannung und der Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen) getrennt für T Punkt 4 und Punkt 5 der Versuchsdurchführung. 1,2 1 Wir nehmen hier an, dass die Thermospannung direkt proportional zur Temperaturdifferenz und unabhängig von den absoluten Temperaturen der Kontaktstellen ist. Im betrachteten Temperaturbereich und für die betrachtete Materialkombination ist dies auch hinreichend gut erfüllt. Sonst müsste man die Thermospannung allgemeiner als Funktion der Form U thermo (T heiß,t kalt ) schreiben und könnte nicht mehr von der Empfindlichkeit schlechthin sprechen. 2 Alternativ könnte man auch die differentielle Empfindlichkeit, also den Quotienten U thermo T, betrachten. Da die Gerade durch den Ursprung geht, erhält man den gleichen Wert.

4 Versuche zur Thermodynamik Fragen und Aufgaben 1. Warum muss man zur Auswahl der richtigen Materialkombination für ein Thermoelement den vorgesehenen Temperaturbereich kennen? 2. Welchen Vorteil bietet die Messung kleiner Spannungen mit Hilfe einer Kompensationsschaltung im Vergleich zur direkten Messung mit einem noch so hochempfindlichen Voltmeter? 3. Wieso kann der thermoelektrische Effekt bei der Messung kleiner Spannungen zu systematischen Fehlmessungen führen? Ergänzende Informationen Zeitlich veränderliche Temperaturverteilungen Ändern sich die Temperaturgradienten in den Drähten mit der Zeit, so treten interessante zusätzliche Ladungseffekte auf, die in [Jäc01] ausführlich behandelt werden. Fermionen und Bosonen Gelegentlich findet man die Aussage, dass das Auftreten des thermoelektrischen Effekts ursächlich mit der fermionischen Natur der Ladungsträger zusammenhängt (Fermionen haben halbzahligen Spin, z. B. 1 /2, Bosonen ganzzahligen Spin, z. B. 1, Elektronen sind also Fermionen). Dies ist aber nicht der Fall, denn da die Thermospannung auf die Thermodiffusion zurückzuführen ist, und somit nichts mit der Kontaktspannung und der Fermi-Verteilung zu tun hat, würde sie auch mit Bosonen auftreten. Literaturhinweise Leider wird die Ursache der Thermospannung in der Literatur häufig falsch erklärt. Das gilt auch für einschlägige Lehrbücher. Sehr empfehlenswert ist die Darstellung in [PPH05]. Sie geht zurück auf einen älteren Text, der sowohl auf deutsch als auch auf englisch verfügbar ist [Jäc98b, Jäc98a]. Eine deutlich über den Begriff der Thermospannung hinausgehende Behandlung von elektrischen Ladungen im Zusammenhang mit zeitabhängigen Temperaturgradienten wird in [Jäc01] gegeben. Literaturverzeichnis [Jäc98a] Jäckle, Josef: The origin of the thermoelectric potential, uni-konstanz.de/fuf/physik/jaeckle/papers/thermopower/index.html. [Jäc98b] Jäckle, Josef: Über die Ursache der Thermospannung, http: // index.html. Gesamtversion: kompiliert am 16th January 2019 um 16:17 Uhr UTC

5 3.7 Thermospannung 285 [Jäc01] Jäckle, Josef: Space charges in metals during non-stationary heat flow. J. Phys.: Condens. Matter, 13: , [PPH05] Pelster, Rolf, Reinhard Pieper und Ingo Hüttl: Thermospannungen viel genutzt und fast immer falsch erklärt. PhyDid, 4(1):10 22, http: //