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Der Nernst-Effekt bezeichnet zwei Effekte im Zusammenspiel zwischen elektrischer Spannung bzw. elektrischem Strom und Wärmestrom bzw. Temperaturdifferenz in einem äußeren Magnetfeld. Beide wurden nach Walther Nernst benannt, der sie teilweise in Zusammenarbeit mit Albert von Ettingshausen entdeckte. Wenn in internationaler wissenschaftlicher Literatur vom Nernst effect die Rede ist, ist damit immer der thermomagnetische (transversale) Nernst-Effekt gemeint.[1]

Inhaltsverzeichnis

Nernst-Effekt (thermomagnetisch)Bearbeiten

Bei einem Wärmefluss im senkrecht dazu ausgerichteten Magnetfeld tritt in transversaler Richtung eine elektrische Spannung auf. Dies ist ein thermomagnetischer Effekt, den man Nernst-Effekt nennt.[2] In neuerer Literatur wird er auch als erster Ettingshausen-Nernst-Effekt bezeichnet. Die Umkehrung dieses Effekts ist der Ettingshausen-Effekt.

Es gilt:

 ,

d. h. die Komponente des elektrischen Feldes   in transversaler Richtung (y) ist proportional zum Temperaturgradienten   in longitudinaler Richtung (x) und zur magnetischen Flussdichte   senkrecht dazu (z). Dabei ist   der Nernst-Koeffizient[3]; alternativ wird er auch mit dem griechischen Buchstaben   bezeichnet.

Vergleich mit dem Hall-EffektBearbeiten

Der Nernst-Effekt ist das thermische Analogon zum Hall-Effekt. Beim Hall-Effekt bewirkt eine von außen angelegte elektrische Spannung, dass ein elektrischer Strom fließt. Die beweglichen Ladungsträger (i. A. Elektronen) werden äußeren Magnetfeld werden durch die Lorentzkraft transversal (senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zum Magnetfeld) abgelenkt, wodurch sich in dieser Richtung eine Spannung aufbaut.
Beim Nernst-Effekt bewirkt die Temperaturdifferenz, dass die beweglichen Ladungsträger vom wärmeren Ende zum kühleren Ende fließen. Auch hier bewirkt die Lorentzkraft den Aufbau einer Spannung in transversaler Richtung. Das Vorzeichen der Spannung ist dabei andersherum: Wenn das Magnetfeld von unten nach oben verläuft und elektrischer Strom von links nach rechts fließt, entsteht durch den Hall-Effekt ein negatives Potential vorne und ein positives hinten. Wenn bei gleichem Magnetfeld ein Wärmestrom von links nach rechts fließt, entsteht durch den Nernst-Effekt ein positives Potential vorne und ein negatives hinten. Der Unterschied liegt daran, dass Elektronen konventionsgemäß negative Ladung tragen, ihre Bewegungsrichtung daher dem elektrischer Strom entgegengesetzt ist.

Der Nernst-Effekt wurde 1886 entdeckt, sieben Jahre nach dem Hall-Effekt.

Spin-Nernst-EffektBearbeiten

Ähnlich wie es zum Hall-Effekt mit dem Spin-Hall-Effekt ein quantenmechanisches Analogon gibt, wurde 2017 auch zum (thermomagnetischen) Nernst-Effekt ein Analogon nachgewiesen: der Spin-Nernst-Effekt. Auch hier ist die Ablenkung „andersherum“ als beim Spin-Hall-Effekt.

Nernst-Effekt (galvanomagnetisch)Bearbeiten

Bei einem elektrischen Strom in einem senkrecht dazu ausgerichteten Magnetfeld tritt in transversaler Richtung eine Temperaturdifferenz auf. Dies ist ein galvanomagnetischer Effekt, der als Ettingshausen-Effekt bezeichnet wird. Zusätzlich tritt auch in longitudinaler Richtung eine Temperaturdifferenz auf. Dieses Phänomen wird ebenfalls als „Nernst-Effekt“ bezeichnet.[4]

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. siehe z. B. [1]
  2. Bergmann, Schaefer: Elektrizitätslehre, De Gruyter 1966, S. 487
  3. Christophe Goupil: Continuum Theory and Modeling of Thermoelectric Elements. Wiley-VCH 2016, ISBN 978-3-527-41337-9, Seite 21.
  4. Spektrum Lexikon der Physik, Nernst-Effekt