Verschiedene Formen der Ladungstrennung

Reibung• elektrostatische Aufladung, ReibungselektrizitätDissoziation• bezeichnet die Aufspaltung eines Stoffes beim Lösen in Wasser in zwei

entgegengesetzt geladene Bestandteile (Ionen), bei der sich um die Ionen Hydrathüllen aus polaren Wassermolekülen bilden (Elektrolyt).(Bsp. NaCl -> Na+ Cl- oder H2SO4 -> 2H+ SO4²- )

Elektrolyse• Stromfluss trennt die Stoffbestandteile auf (Bsp. Bauxit (Aluminium-Erz): Schmelzelektrolyse von Al2O3 zur Freisetzung

von elementarem Al)Ätzen• bezeichnet die Reaktion zwischen Elektrolyt und Metall, bei der Metallatome

in Lösung gehen und Elektronen an die Kationen des Elektrolyten (H+ in Säuren) abgeben.

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Spannung

• „Elektrische Spannung“ liegt vor, wenn das Ausgleichsbestreben getrennter elektrischer Ladungen q und Q gehemmt wird.

• Die elektrische Spannung gibt an, wieviel Arbeit nötig war, um eine bestimmte elektrische Ladung q im elektrischen Feld E der anderen Ladung Q zu bewegen.

Analogon:Die Lageenergie (Epot) gibt an, wieviel Arbeit nötig war, um eine bestimmte Masse m im Gravitationsfeld der anderen Masse M anzuheben.

„Hubhöhe“ „elektrische Spannung“

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Das elektrische Feld

• Der Raum um eine Ladung Qwird elektrisches Feld genannt.

• In diesem Raum wird auf eineLadung q eine Kraft F ausgeübt.(Das Gummihautmodell vergleicht das Gravitationsfeld mit dem elektrischen Feld: Eine positive Ladung q wird von Q abgestoßen; die Ladung q rollt den Berg herunter.)

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Qq

Das elektrische Feld

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• Die Höhenunterschiede im „Gebirge“sind ein Maß für die Höheder Spannung U.

• Die Steilheit des „Gebirges“ ist einMaß für die Stärke des elektrischenFeldes E.

• Ein elektrisches Feld E ist homogen(d.h. überall gleiche Feldstärke E),wenn sich die Steilheit nicht ändert.

Q

Q

Q

q

Das elektrische Feld

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• Für die Ladung q im elektrischen Feld E der Ladung Q gilt:

Q

„Hubkraft“ F ist proportional zur „Steilheit“ E und Ladung q :

F = Eq

q

„Hubhöhe“ ist proportional zur „Steilheit“ E und Abstand d der Platten:

U = Ed

d

Das elektrische Feld

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• wichtiges Experiment:Wird der Abstand der Plattenerhöht, steigt die Spannung U.

Welche Arbeit kann eine Ladung q verrichten ?

W = F·d = q·E·d = q·(E·d) = q·UDie Spannung U hat die Einheit [U] = 1Volt = 1 Nm/C

Fazit: Eine elektrische Spannung U gibt an, wieviel Arbeit durch eine Ladung (z.B. ein Elektron) verrichtet werden kann. Sie charakterisiert also eine „Energiequelle“.

Piezoelektrizität• Piezoelektrizität, auch piezoelektrischer Effekt genannt, beschreibt die

Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden. (; drücken, pressen)

• Durch mechanischen Druck verlagert sich der positive (Q+) und negative Ladungsschwerpunkt (Q–).

• Dadurch entsteht ein Dipol, bzw. eine elektrische Spannung am Element.

(z.B. Tonabnehmer bei GitarreUmkehrung: Einspritzdüsen im Automotoroder tastbare Blindenschrift)

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Photozelle (Solarzelle)

Die Photozelle, auch lichtelektrische Zelle genannt, ist eine Spannungsquelle, in der durch den so genannten äußeren Photoeffekt Licht Ladungen getrenntwerden.

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• Metallelektroden sind gegen den Halbleiter (HL) immer positiv, da immer Überschußelektronen aus dem Metall in den HL diffundieren.

• Durch Bestrahlung wird die Sperrschicht leitend und die Spannung am p/nÜbergang bricht zusammen. Obere Metallelektrode wird negativ.

Galvanische Elemente 1Luigi Galvani (1737-1798):Als Galvanische Elemente (Batterie) bezeichnet man eine Anordnung, die mit Hilfe von elektrochemischen Vorgängen eine Ladungstrennung (also eine Spannung U) erzeugen.

Sie stellen also einen Arbeitsspeicher („Energiequelle“) dar.

Volta-Element:

• Ein Zinkplatte in H2SO4 – Lösung löst sich auf(Zn2+ Kationen gehen in das Elektrolyt,Zn ist ein unedleres Metall.

Von Kupferplatte lösen sich nur sehr wenigeCu2+ Kationen, Cu ist ein edleres Metall).

• Bei Stromfluß über das Messgerät:An Kupferplatte entsteht Wasserstoffgas H2 (Die Wasserstoffhaut um Kupferelektrodehindert den Spannungsaufbau)

• Beispiel: Zitronenbatterie

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ww

w.w

dr.

de

H2SO4 (aq)

+ -

2H+ (SO4)2-

2e-

Zn2+

Galvanische Elemente 2Daniell-Element:

• Ein Zinkstab in ZnSO4 – Lösung löst sich auf(Zn2+ Kationen gehen in das Elektrolyt,Zn ist ein unedleres Metall)

• Ein Kupferstab in CuSO4 – Lösung wird dicker(Cu2+ Kationen sammeln sich am Stab,Cu ist ein edleres Metall).

• Sulfationen SO4 wandern durch die Trennwand.• Werden nun die beiden Elektroden mit einem

Leiter verbunden, so fließt ein Strom.Es ensteht aber kein Wasserstoffgas !

leistungsfähiger als das Volta-Element.

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Zink Cu

Akkumulator

Anode oder Kathode ?

Es gilt immer:• Anionen A-n wandern zur „Anode“ !• Kationen B+m wandern zur „Kathode“ !

• Minuspol hat Elektronenüberschuß• Pluspol hat Elektronenmangel

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ZnI2 (aq) (Zinkiodid-Lösung)

ZnI2 (aq) (Zinkiodid-Lösung)

Brennstoffzelle„kontrollierte Knallgasreaktion“

Anode:

2 H2 4H+ + 4e-

Polymer Elektrolyt (PE) -Membran:

semipermeabel für H+, nicht für große O-Atome

Kathode:

O2 + 4H+ + 4e- 2 H2O

Gesamtreaktion:

2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (fl) + elektr. Energie

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Thermoelement• Aufgrund der temperaturabhängigen unterschiedlichen Beweglichkeit der

Elektronen in zwei verschiedenen Metallen, kommt es an der Kontaktstelle dieser Metalle zu einer Ladungstrennung (Seebeck-Effekt).

• Dazu muss eine Verbindungsstelle auf einer höheren oder tieferen Temperatur als die der anderen Verbindungstelle liegen.

• Es entsteht eine Gleichspannungsquelle. • Die entstehende Spannung nennt man Thermospannung.

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Peltier-Element• Die Besonderheit des erwähnten Seebeck-Effektes

ist seine Umkehrbarkeit (Anlegen einer Spannungerzeugt unterschiedliche Temperaturen).

• Das Peltier-Element transportiert Wärme voneiner Elektrode zur anderen.

• Legt man nun eine Spannung an, wird die eineElektrode kalt und die andere heiß.

• Die sogenannte Coldplate nimmt dabei Wärmeauf, die zur Hotplate transportiert wird und dortmit Hilfe von Kühlkörpern und Lüftern abgeführtwerden kann.

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niedrige Temperatur

hohe TemperaturHotplate

coldplate

Spannungserzeugung durch Induktion

• Generatoren erzeugen durch Induktion elektrische Spannungen. • Beim Antrieb der Generatoren muss Arbeit verrichtet werden. • Die dadurch zugeführte Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. • Stichwort „Lorentzkraft“ (siehe Vorlesung 10 – Elektromagnetische Induktion)

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Akkumulatoren• Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie. • Bei einem Bleiakkumulator bestehen die positive Elektrode aus Blei (Pb), die negative aus Bleioxid (PbO2).

• Als Elektrolyt verwendet am 27%-ige Schwefelsäure (H2 SO4).• Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab: Negativer Pol: Pb + SO4

2- PbSO4 + 2e-

Positiver Pol : PbO2 + SO42- + 4H3O+ + 2e- PbSO4 + 6H2O

• Daraus ergibt sich die Gesamtreaktion: Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O + elektrische Energie

• Nach rechts findet unter Energieabgabe die Entladung statt, nach links unter Energiezufuhr die Aufladung.

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Spannung und Stromstärke

Energieübertragung im Stromkreis:• je mehr Ladungen fließen, umso mehr Energie kann transportiert werden• je mehr Energie jede einzelne Ladung hat, umso mehr Energie kann transportiert werden

Gesamtbilanz: W = q • U = U • I • t P = W/t = U • I [P] = 1V/1A = 1W

Energieumsatz am Verbraucher: • je mehr Energie pro Ladung entnommen werden kann, umso größer ist der

Energieumsatz am Verbraucher• als Messgröße dient der Energieunterschied pro Ladung und Zeiteinheit

Widerstand: R = U/I

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