Thermometer

Zeigerthermometer

Nicht alle Thermometer funktionieren auf diese Weise. Das auf unserem oberen Foto abgebildete Thermometer hat einen Metallzeiger, der sich auf einer kreisförmigen Skala auf und ab bewegt. Wenn du eines dieser Thermometer öffnest, siehst du, dass der Zeiger auf einem gewickelten Metallstück, einem so genannten Bimetall, angebracht ist, das sich ausdehnt und verbiegt, wenn es heißer wird (wie das funktioniert, erfährst du in unserem Artikel über Thermostate).Je heißer die Temperatur ist, desto mehr dehnt sich das Bimetall aus und desto mehr schiebt es den Zeiger auf der Skala nach oben.

Artwork: Wie ein Zeigerthermometer funktioniert: Dies ist der Mechanismus, der ein typisches Zeigerthermometer antreibt, dargestellt in einem Patent von Charles W. Putnam aus dem Jahr 1905. Oben sehen wir die übliche Anordnung von Zeiger und Zifferblatt. Die untere Abbildung zeigt, was sich auf der Rückseite abspielt. Ein Bimetallstreifen (gelb) ist eng gewickelt und sowohl am Rahmen des Thermometers als auch am Zeiger befestigt. Er besteht aus zwei verschiedenen Metallen, die miteinander verbunden sind und sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. Wenn sich die Temperatur ändert, wölbt sich der Bimetallstreifen mehr oder weniger stark (zieht sich zusammen oder dehnt sich aus), und der daran befestigte Zeiger bewegt sich auf der Skala nach oben oder unten. Abbildung aus dem US-Patent 798,211: Thermometer mit freundlicher Genehmigung des US-Patent- und Markenamts.

Foto: Hier ist der gewundene Bimetallstreifen eines echten Zeigerthermometers (das Gefriergeräte-Thermometer in unserem oberen Foto). Es ist leicht zu erkennen, wie es funktioniert: Wenn man den Zeiger mit der Hand in Richtung kälterer Temperaturen dreht, zieht sich der gewickelte Streifen zusammen; dreht man den Zeiger in die andere Richtung, lockert sich der Streifen.

Elektronische Thermometer

Ein Problem bei Quecksilber- und Zeigerthermometern ist, dass sie eine Weile brauchen, um auf Temperaturänderungen zu reagieren. Elektronische Thermometer haben dieses Problem nicht: Man berührt einfach die Thermometersonde auf dem Objekt, dessen Temperatur man messen möchte, und die digitale Anzeige liefert (fast) sofort einen Temperaturwert.

Foto: Elektronisches medizinisches Thermometer aus dem Jahr 2010. Man steckt die Metallsonde in den Mund oder an eine andere Stelle des Körpers und liest die Temperatur auf dem LCD-Display ab.

Elektronische Thermometer funktionieren ganz anders als mechanische, die Quecksilberleitungen oder drehende Zeiger verwenden: Sie beruhen auf der Idee, dass sich der Widerstand eines Metalls (die Leichtigkeit, mit der Elektrizität durch das Metall fließt) mit der Temperatur ändert. Wenn Metalle heißer werden, schwingen die Atome in ihrem Inneren stärker, der Stromfluss wird erschwert und der Widerstand nimmt zu.Wenn Metalle abkühlen, bewegen sich die Elektronen freier und der Widerstand sinkt. (Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, der niedrigsten theoretisch möglichen Temperatur von -273,15 °C oder -459,67 °F, verschwindet der Widerstand vollständig in einem Phänomen, das Supraleitung genannt wird.)

Ein elektronisches Thermometer funktioniert, indem es eine Spannung über seine Metallsonde legt und misst, wie viel Strom durch sie fließt. Legt man die Sonde in kochendes Wasser, fließt durch die Wärme des Wassers weniger Strom durch die Sonde, so dass der Widerstand um einen genau messbaren Wert ansteigt. Ein Mikrochip im Inneren des Thermometers misst den Widerstand und wandelt ihn in eine Temperaturmessung um.

Foto: Elektrisches Widerstandsthermometer aus dem Jahr 1912: Dieses Beispiel eines Widerstandsthermometers in Brückenbauweise wurde von Leeds und Northrup gebaut und Anfang des 20. Jahrhunderts für Temperaturmessungen am US National Bureau of Standards (heute NIST) verwendet. Trotz seines klobigen Aussehens ist es bis auf 0,0001 Grad genau. Foto mit freundlicher Genehmigung des National Institute of Standards and Technology Digital Collections, Gaithersburg, MD 20899.

Der Hauptvorteil von Thermometern wie diesem ist, dass sie eine sofortige Ablesung in jeder beliebigen Temperaturskala – Celsius, Fahrenheit oder was auch immer – liefern können. Einer ihrer Nachteile ist jedoch, dass sie die Temperatur von einem Moment zum anderen messen, so dass die angezeigten Zahlen recht stark schwanken können, was es manchmal schwierig macht, eine genaue Ablesung vorzunehmen.

Präzise elektrische Thermometer, so genannte Widerstandsthermometer, verwenden vier Widerstände, die in einer rautenförmigen Schaltung, einer so genannten Wheatstone-Brücke, angeordnet sind. Wenn drei der Widerstände bekannte Werte haben, ist der Widerstand des vierten leicht zu berechnen. Wenn der vierte Widerstand die Form eines Temperaturfühlers hat, kann eine solche Schaltung als sehr präzises Thermometer verwendet werden: Durch die Berechnung des Widerstands (aus der Spannung und dem Strom) lässt sich die Temperatur berechnen.

Messung extremer Temperaturen

Wenn man etwas messen will, das für ein herkömmliches Thermometer zu heiß oder zu kalt ist, braucht man ein Thermoelement: ein raffiniertes Gerät, das die Temperatur durch Messung der Elektrizität misst. Und wenn du nicht nah genug herankommst, um ein Thermoelement zu benutzen, kannst du ein Pyrometer verwenden, eine Art Thermometer, das die Temperatur eines Objekts aus der elektromagnetischen Strahlung ableitet, die es abgibt.