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Harman Methode

Direkte Messung der Gütezahl ZT nach der Harman-Methode

Die thermoelektrische Gütezahl ZT kann entweder aus den Ergebnissen der Einzelmessungen der elektrischen Leitfähigkeit, des Seebeck-Koeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit berechnet oder direkt gemessen werden. Eine gängige Methode zur direkten Bestimmung ist die Harman-Methode.

Für die Messung wird eine thermoelektrische Probe in Form eines zylindrischen oder rechteckigen Stäbchens an den beiden Stirnseiten und mit zwei Kontakten an einer der Seitenflächen elektrisch kontaktiert (siehe Bild a) unten).

Schematischer Aufbau für ZT-Messung 1

a) Schematischer Aufbau zur direkten ZT-Messung von thermoelektrischen Materialien nach der Harman-Methode. b) Messkurve einer Harman-Messung mit ohmschem Spannungsabfall UR und auftretender thermischer Spannung Uth bei angelegtem Messstrom I.

Für die Messgenauigkeit ist es entscheidend, möglichst gute adiabatische Bedingungen zu schaffen, d.h. den Wärmeaustausch zwischen der Probe und der Umgebung zu minimieren.

Aus diesem Grund findet die Messung in der Regel unter Vakuum statt und die Probe wird entweder freistehend gelagert oder auf einer thermostatgesteuerten Grundplatte fixiert.

Zusätzlich wird üblicherweise ein Hitzeschild verwendet, um den Wärmeaustausch durch Strahlung zwischen der Probe und der Umgebung zu reduzieren.

Die Messung wird gestartet, indem ein Strom I0 zwischen den Kontakten an den Stirnseiten eingeprägt wird, wodurch ein Übergang zwischen Probe und Elektrode erwärmt und der andere aufgrund des Peltier-Effekts gekühlt wird. Die adiabatischen Randbedingungen führen anschließend zu einem Temperaturgradienten entlang der Probe, dessen Größe von dem eingeprägten Strom und den thermoelektrischen Eigenschaften der Probe abhängt. Mit den Spannungssonden an der Seitenfläche der Probe werden sowohl die ohmsche Komponente des Spannungsabfalls UR infolge des eingeprägten Stroms als auch die infolge des Temperaturgradienten auftretende thermische Spannung Uth gemessen (siehe Abb. 1b).

Die Messung der ohmschen Komponente erfolgt direkt nach der Stromeinprägung, während die thermische Spannung im stationären Endzustand bestimmt wird. ZT kann direkt aus dem Verhältnis der beiden Spannungen bestimmt werden.

ZT Formel

Die Genauigkeit der Messmethode hängt stark von der Einhaltung der adiabatischen Messbedingungen und dem Kontaktwiderstand zwischen der Probe und den Stromelektroden ab. Dies begrenzt die maximale Betriebstemperatur des auf der Harman-Technik basierenden Messaufbaus auf eine maximale Betriebstemperatur von 200°C bis 300°C.

Die Genauigkeit des Messverfahrens hängt stark von der Einhaltung der adiabatischen Messbedingungen und dem Kontaktwiderstand zwischen der Probe und den Stromelektroden ab.

Welche Eigenschaften werden bewertet?

Die Harman-Methode kann zur direkten Messung der thermoelektrischen Gütezahl ZT verwendet werden. Durch diese direkte Messung kann der Fehler für ZT unter guten experimentellen Bedingungen im Vergleich zur herkömmlichen Art der Berechnung von ZT aus Einzelmessungen, die mit einem LSR-3 und LFA durchgeführt werden, klein gehalten werden, da sich hierfür die Fehlerbalken der Einzelmessung akkumulieren.

ZT, Seebeck Formula

Aus der gleichen Formel ist auch ersichtlich, dass die Wärmeleitfähigkeit als Materialeigenschaft aus einer kombinierten Harman- und Leistungsfaktormessung berechnet werden kann. Dies kann eine einfache und kostengünstige Lösung sein, um die Wärmetransporteigenschaften von thermoelektrischen Proben mit einem Standardgerät wie dem Linseis LSR-3 zu messen.