Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und miteinander verbundenen Metallen oder Halbleitern, das aufgrund des Seebeck-Effektes eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen haben.
Der Seebeck-Effekt besagt, dass zwei unterschiedliche Metalle, die miteinander verbunden sind, an ihrer Anschlussstelle eine thermoelektrische Spannung entstehen lassen, wenn entlang der Metalle ein Temperaturgefälle besteht. Diese thermoelektrische Spannung (auch Thermokraft genannt) ist temperaturabhängig und hat bei Metallen eine Größe von wenigen Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied.
Mit Hilfe der sogenannten thermoelektrischen Spannungsreihe (vgl. DIN EN 60584) kann auf die Temperatur an der Verbindungsstelle (Messstelle) geschlossen werden.
Jedes Metall und jede Legierung besitzt einen thermoelektrischen Koeffizienten (meist relativ zu Platin angegeben), der es gestattet, die Thermospannung einer Metallverbindung zu errechnen.
Anwendungen
Temperaturmessung
Im folgenden Beispiel wird die Spannung angegeben, die an einem sogenannten Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur anliegt:
Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei und die thermoelektrischen Koeffizienten der Metalle Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach kann die gesuchte Temperatur aus der am Thermoelement gemessenen Spannung errechnet werden.
Die Thermospannung wird meist durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet, um sie messtechnisch erfassen zu können. Über einen Vergleich mit einer Referenzstelle (meist Eiswasser) und mit Hilfe der bekannten Steigung der obigen Geradengleichung des Thermoelements kann dann die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.
Anmerkung zur Vergleichsstellentemperatur
Ein Thermoelement besteht notwendigerweise aus zwei Metallübergängen (Mess- und Vergleichsstelle), deren thermoelektrische Spannungen entgegengesetzt sind - sie liefern somit immer relative Werte zur sogenannten Vergleichsstellentemperatur. Liegt die Temperatur der Messstelle darüber, so liefert es positive Spannungswerte, liegt sie darunter, ist die Spannung negativ. Ist die Messstellen-Temperatur gleich der Vergleichsstellen-Temperatur, ist die Summe der Thermospannungen null.
Die Vergleichsstelle ist die Anschluss-Stelle der unterschiedlichen Metalldrähte des Thermoelementes an eine Leitung (z.B. Kupferkabel). Mittels sogenannter Ausgleichsleitungen (preiswertere Metall-Leitungen, die die gleichen thermoelektrischen Koeffizienten wie die jeweiligen Thermoelement-Drähte besitzen) kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden.
Während man früher diese Vergleichsstellen in einem Thermostat (Referenztemperatur meist 50°C) unterbrachte, stehen heute Integrierte Schaltkreise zur Verfügung, die neben der Spannungsverstärkung auch diese Vergleichsstellentemperatur kompensieren - vorausgesetzt, sie haben die gleiche Temperatur wie die Vergleichsstelle. Dieses Verfahren wird beispielsweise auch in digitalen Vielfachmessgeräten (DVM) angewandt, die zur Temperaturmessung mit Thermoelementen ausgerüstet sind.
Strahlungsmessung
Die Hintereinanderschaltung mehrerer Thermoelemente ergibt eine Thermosäule (engl: Thermopile). Die thermoelektrische Spannung summiert sich entsprechend der Anzahl der Thermoelemente. Diese werden in empfindlichen Infrarotdetektoren und Laser-Leistungsmessern verwendet. Dabei wird die Temperaturdifferenz entlang eines Wärmeleiters gemessen.
Energiewandlung
Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist in einem thermoelektrischen Generator möglich. Man verwendet hierfür statt Metallen Halbleitermaterialien (siehe Peltier-Element), wodurch sich die Effizienz wesentlich steigern lässt. Heute verfügbare thermoelektrische Elemente haben dennoch nur einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen.
Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist nur ein Bruchteil (ca. 17 %) des Carnot-Wirkungsgrades.
Gebräuchliche Materialien sind Bi2Te3, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit realen Wirkungsgraden von 3...8%. Werkstoffe mit signifikant besseren thermoelektrischen Eigenschaften sind aktuell nicht bekannt.
Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.
Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstete Petroleumlampen oder Petroleum-Gasbrenner werden als Stromquellen in abgelegenen Gebieten verwendet (z.B. zum Betrieb eines Rundfunkempfängers).
Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radioisotopengeneratoren (Isotopenbatterien), u.a. für Raumsonden oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet: radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope erzeugt hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.
Feuerungsanlagen
In Gasherden und Heizungsanlagen dienen Thermoelemente dazu, die brennende Flamme zu überwachen. Das durch die Flamme erwärmte Thermoelement liefert den für das Aufhalten eines elektromagnetisch betätigten Brennstoffventils notwendigen elektrischen Strom. Verlischt die Flamme, erkaltet das Thermoelement, das Elekromagnetventil schließt, die weitere Brennnstoffzufuhr wird unterbrochen.