Batterie, Generator, Solarzelle – die üblichen Wege zu einer Spannung kennst du. Daneben gibt es zwei Effekte, die auf den ersten Blick unscheinbar wirken und doch in fast jedem Haushalt stecken: Ein Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Metallen erzeugt eine kleine Spannung, und bestimmte Kristalle laden sich auf, wenn du sie zusammendrückst. Der erste Effekt steckt im Temperaturfühler deines Multimeters und in der Kühlbox fürs Auto, der zweite im Gasanzünder, im Uhrenquarz und im Piepser der Waschmaschine. Beide funktionieren auch umgekehrt – und genau das macht sie so vielseitig.
Der Seebeck-Effekt: Spannung aus Temperaturunterschied
Thomas Johann Seebeck beobachtete 1821, dass ein geschlossener Ring aus zwei verschiedenen Metallen eine Kompassnadel ablenkt, sobald eine der beiden Verbindungsstellen wärmer ist als die andere. Es fließt also ein Strom – angetrieben von einer Thermospannung.
Der Grund liegt bei den freien Elektronen im Metall: Am warmen Ende bewegen sie sich schneller und wandern bevorzugt zum kalten Ende ab. Dadurch entsteht in jedem Leiter ein kleines Spannungsgefälle entlang der Temperaturdifferenz. Wie stark dieses Gefälle ist, hängt vom Werkstoff ab. Verbindest du zwei unterschiedliche Leiter, heben sich ihre Anteile deshalb nicht auf – zwischen den freien Enden bleibt eine messbare Differenz übrig. Bei einem einzelnen Material ginge das nicht: Jedes Messkabel, das du anschließt, hätte denselben Effekt mit umgekehrtem Vorzeichen.
Für nicht zu große Temperaturbereiche gilt näherungsweise:
Dabei ist S der Seebeck-Koeffizient der Materialpaarung, TM die Temperatur an der Verbindungsstelle, die du messen willst (Messstelle), und TV die Temperatur dort, wo die beiden Drähte auf die Kupferleitungen des Messgeräts treffen (Vergleichsstelle).
Bei Metallpaaren liegt S im Bereich von etwa 10 bis 60 µV/K – pro Kelvin Unterschied also nur Mikrovolt. Dotierte Halbleiter wie Bismuttellurid erreichen rund 200 µV/K und eignen sich deshalb besser zur Energiegewinnung.
Thermoelemente Typ K und Typ J
Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten unterschiedlicher Legierung, die an der Spitze verschweißt sind. Welche Paarungen es gibt und welche Spannung sie bei welcher Temperatur liefern, ist in der Norm IEC 60584 (in Deutschland DIN EN 60584) mit Kennbuchstaben festgelegt. Zwei Typen begegnen dir besonders oft:
| Typ | Plus-Schenkel | Minus-Schenkel | Empfindlichkeit (ca.) | üblicher Einsatz |
|---|---|---|---|---|
| K | Nickel-Chrom (NiCr) | Nickel (Ni, legiert) | 41 µV/K | Universalfühler, bis gut 1000 °C |
| J | Eisen (Fe) | Kupfer-Nickel (CuNi) | 52 µV/K | Kunststoffverarbeitung, bis etwa 750 °C |
Typ K ist der Standard bei Multimetern mit Temperatureingang und bei Fühlern für Lötstationen und Öfen. Typ J liefert etwas mehr Spannung pro Kelvin, rostet aber wegen des Eisenschenkels und wird in oxidierender Umgebung nur bis zu niedrigeren Temperaturen eingesetzt.
Die Kennlinien sind nicht exakt gerade. Für genaue Messungen rechnet das Messgerät deshalb mit den Tabellen oder Polynomen aus der Norm, nicht mit einem festen S. Für Abschätzungen reicht der Mittelwert aus der Tabelle oben.
Die Vergleichsstelle
Früher hielt man die Vergleichsstelle in Eiswasser auf genau 0 °C. Heute misst das Gerät die Temperatur an seinen Anschlussklemmen mit einem eigenen Sensor (Thermistor, Pt100 oder ein Halbleitersensor im Wandler-IC) und rechnet sie hinzu. Diese Vergleichsstellenkompensation steckt in jedem Thermoelement-Messgerät und in ICs wie dem MAX31855.
Sitzt das Messgerät weit entfernt, verlegst du die Vergleichsstelle mit Thermo- oder Ausgleichsleitungen bis zum Gerät. Sie bestehen aus demselben oder einem thermoelektrisch gleichwertigen Material. Eine normale Kupferleitung als Verlängerung würde die Vergleichsstelle dagegen an die Übergangsstelle verlegen – und deren Temperatur kennt das Gerät nicht.
Der Peltier-Effekt und das Peltier-Element
Jean Peltier fand 1834 die Umkehrung: Schickst du einen Strom durch die Verbindung zweier verschiedener Leiter, wird dort je nach Stromrichtung Wärme aufgenommen oder abgegeben. Der Strom transportiert also Wärme – und das unabhängig von der normalen Stromwärme im Widerstand des Materials.
Ein Peltier-Element nutzt das mit vielen kleinen Würfeln aus n- und p-dotiertem Bismuttellurid. Kupferbrücken verbinden sie abwechselnd oben und unten, sodass alle Würfel elektrisch in Reihe liegen, thermisch aber nebeneinander zwischen zwei Keramikplatten. Im n-Würfel tragen Elektronen die Wärme gegen die technische Stromrichtung, im p-Würfel tragen Löcher sie mit der Stromrichtung – bei dieser Anordnung schieben beide die Wärme zur selben Platte. Polst du um, tauschen kalte und warme Seite.
Der Haken ist der Wirkungsgrad. Die warme Seite muss nicht nur die gepumpte Wärme loswerden, sondern zusätzlich die gesamte elektrische Leistung:
Ein einzelnes Standardelement erreicht ohne Last eine Temperaturdifferenz von etwa 60 bis 70 K, unter Last deutlich weniger. Wird der Kühlkörper zu warm, steigt die kalte Seite mit. Peltier-Elemente lohnen sich deshalb dort, wo es auf kleine Bauform, Geräuschlosigkeit oder genaue Regelung ankommt: Temperaturstabilisierung von Laserdioden, Kühlung von Kamerasensoren, Getränkekühler, Probenhalter im Labor.
Betreibst du dasselbe Element mit einem Temperaturunterschied, liefert es Strom – dann heißt es Thermogenerator (TEG). So versorgen sich Funksensoren an warmen Rohren oder Kaminöfen-Ventilatoren ohne Batterie; mit Radionuklid als Wärmequelle haben solche Generatoren die Voyager-Sonden über Jahrzehnte betrieben.
Der Piezo-Effekt
Die Brüder Jacques und Pierre Curie zeigten 1880, dass sich Kristalle wie Turmalin und Quarz elektrisch aufladen, wenn man sie mechanisch belastet. Ursache ist ihr Kristallgitter ohne Symmetriezentrum: Drückst du es zusammen, verschieben sich die positiven und negativen Ionen unterschiedlich weit, ihre Ladungsschwerpunkte fallen nicht mehr zusammen, und auf zwei gegenüberliegenden Flächen erscheinen entgegengesetzte Ladungen. Das ist der direkte Piezo-Effekt.
Ein Jahr später wurde auch der inverse Piezo-Effekt vorhergesagt und nachgewiesen: Legst du eine Spannung an, verformt sich der Kristall – je nach Polarität wird er etwas dicker oder dünner. Die Wege sind winzig, bei einer Piezoscheibe im Bereich von Nanometern pro Volt, dafür aber sehr schnell und kraftvoll.
Technisch wichtiger als Quarz sind heute Piezokeramiken aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Sie liefern pro Newton mehr als hundertmal so viel Ladung. Die Ladung ist proportional zur Kraft:
Der Piezo-Koeffizient d liegt bei Quarz um 2 pC/N, bei PZT je nach Sorte bei einigen hundert pC/N. Elektrisch verhält sich ein Piezo wie ein Kondensator, auf den diese Ladung gebracht wird: U = Q / C.
Wo dir Piezo-Bauteile begegnen
- Piezozünder im Gasfeuerzeug und Grillanzünder: Ein federgespannter Hammer schlägt auf einen kleinen Keramikstapel. Der kurze, harte Stoß erzeugt mehrere Kilovolt, die als Funke über eine Elektrode überspringen – ganz ohne Batterie.
- Schwingquarz: Direkter und inverser Effekt wirken hier zusammen. Eine Wechselspannung verformt die Quarzscheibe, die Verformung erzeugt wieder Ladung. Bei der mechanischen Eigenfrequenz der Scheibe schwingt das System sehr stabil. Uhrenquarze schwingen mit 32 768 Hz, das sind genau 215 Schwingungen pro Sekunde – fünfzehnmal halbiert ergibt das einen Sekundentakt (mehr dazu bei den Zahlensystemen).
- Piezo-Summer: Eine dünne Keramikschicht auf einer Messingscheibe biegt sich im Takt der angelegten Wechselspannung und erzeugt so Schall. Ein passiver Summer braucht ein Rechtecksignal vom Mikrocontroller, ein aktiver hat den Oszillator schon eingebaut und piept an Gleichspannung.
- Sensoren: Klopfsensoren am Motorblock, Beschleunigungs- und Körperschallsensoren, Tonabnehmer an Gitarren und dynamische Drucksensoren nutzen den direkten Effekt. Auch Ultraschallwandler, etwa in Einparkhilfen, senden mit dem inversen und empfangen mit dem direkten Effekt.
Selbsttest
Warum zeigt ein Thermoelement am Messgerät 0 mV, obwohl der Fühler 23 °C hat?
Weil die Vergleichsstelle am Gerät ebenfalls 23 °C hat – ohne Temperaturdifferenz keine Thermospannung. Erst die Vergleichsstellenkompensation macht daraus die richtige Anzeige.
Ein Typ-J-Fühler liefert 10,4 mV, die Klemmen haben 20 °C. Wie warm ist die Messstelle ungefähr?
ΔT = 10,4 mV / 0,052 mV/K = 200 K, also etwa 220 °C. Die genauere Normtabelle ergibt gut 210 °C – die lineare Rechnung ist nur eine Abschätzung.
Was passiert, wenn du ein Peltier-Element umpolst?
Die Wärme wird in die andere Richtung gepumpt: kalte und warme Seite tauschen.
Warum braucht ein Peltier-Kühler einen größeren Kühlkörper, als die Kühlleistung vermuten lässt?
Die warme Seite muss die gepumpte Wärme plus die gesamte zugeführte elektrische Leistung abgeben.
Welcher Piezo-Effekt steckt im Gasfeuerzeug, welcher im Summer?
Im Feuerzeug der direkte (Druck erzeugt Spannung), im Summer der inverse (Spannung erzeugt Bewegung).