Stromquellen
Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule
Schriftliche Hausarbeitvon Ralf Hirnich
Universität AugsburgDidaktik der Physik
Spannung
• Die elektrische Spannung gibt an, wie viel Arbeit bzw. Energie nötig ist, um eine bestimmte elektrische Ladung entlang eines elektrischen Feldes zu bewegen.• Die Arbeit pro Ladung W = F·s = q·E·s = q·(E·s) = q·U bezeichnet den Energieunterschied der Ladung im Feld zwischen Anfangs- und Endposition.• „Elektrische Spannung“ wirkt gegen das Ausgleichsbestreben
getrennter elektrischer Ladungen. • Findet ein Ladungsausgleich statt, dann fließt ein Strom.
Symbol: U Einheit [U] = 1V
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Das elektrischen Feld
• Der Raum zwischen zwei ungleich geladenen Orten wird elektrisches Feld genannt.
• In diesem Raum wird durch eine elektrische Ladung auf eine andere Ladung eine Kraft ausgeübt.
• In einem homogenen elektrischen Feld ist die elektrische Feldstärke an jeder Stelle gleich groß.
• Sie ist abhängig von der Größe des Ladungsunterschieds und dem Abstand der geladenen Teile.
E = U/s [E] = 1V/m
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Verschiedene Formen der Ladungstrennung
Reibung• elektrostatische Aufladung, ReibungselektrizitätDissoziation• bezeichnet die Aufspaltung eines Moleküls beim Lösen in Wasser in zwei
entgegengesetzt geladene Ionen, bei der die Ionen Hydrathüllen aus polaren Wassermolekülen bilden (Bsp. NaCl -> Na+ Cl- oder H2SO4 -> 2H+ SO4²- )
Elektrolyse• Stromfluss trennt die Molekülbestandteile auf (Bsp. Schmelzelektrolyse von Bauxit ( Al2O3 ) zur Freisetzung von Al°)
Ätzen• bezeichnet die Reaktion zwischen verdünnter Säure und Metall, bei der
Metallionen in Lösung gehen und sich mit den Kationen der dissoziierten Säuremoleküle verbinden
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Galvanische Elemente• Als Galvanische Elemente bezeichnet man Energieumwandler, die mit Hilfe
von elektrochemischen Vorgängen eine Spannung erzeugen.• Diese ist abhängig von der Werkstoffart und der Art und Menge des
Elektrolyten. • Bei der Auflösung zweier unterschiedlicher Metalle im Elektrolyt werden von
der gleichen Säure unterschiedlich viele Ionen herausgeätzt. • Die beiden Elektroden tragen dadurch unterschiedlich große „Rest“ladungen.• Die Elektrode mit weniger negativen Ladungen ist „positiv“ gegenüber der
anderen.• Werden nun die beiden Elektroden mit einem Leiter verbunden, so findet über
diesen Ladungsausgleich statt.• Strom fließt.
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Animation: Galvanisches Element
Verschiedene galvanische Elemente
Typ + Pol _ Pol Ätzmittel Elementspannung
Zink-Kohle C Zn Braunstein 1,5 V Zink-Luft O2 Zn Kalilauge 1,2 VFe-Knopfzelle HgO Zn Kalilauge 1,5 V
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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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Stromquelle im Stromkreis
• Stromquellen stellen die für den Stromfluss notwendigen Ladungen bereit.
• Stromquellen bauen die zum Stromfluss erforderliche elektrische Spannung auf.
• Funktion der Stromquelle im Stromkreis:• Ladungseinspeisung• Energieversorgung der Ladungen• „Rücknahme“ energiearmer Ladungen
Die Stromquelle versorgt also die Ladungen mit Energie, während der Widerstand oder Verbraucher den bewegten Ladungen Energie entnimmt.
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Spannung und StromstärkeEnergieübertragung 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: E = q • U = U • I • t P = E/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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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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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.
• Durch mechanischen Druck verlagert sich der positive (Q+) und negative Ladungsschwerpunkt (Q–).
• Dadurch entsteht ein Dipol, bzw. eine elektrische Spannung am Element.
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Photozelle
Die Photozelle, auch lichtelektrische Zelle genannt, ist eine Stromquelle, in der durch den so genannten äußeren Photoeffekt Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird.
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Brennstoffzelle„Was werden wir später einmal statt
Kohle verbrennen?“„Wasser“, antwortete Smith.
„Wasserstoff und Sauerstoff werden für sich oder zusammen zu einer
unerschöpflichen Quelle von Wärme und Licht werden, von einer Intensität,
die die Kohle überhaupt nicht haben könnte; das Wasser ist die Kohle der
Zukunft.“
Jules Verne„Die geheimnisvolle Insel“, 1875
kontrollierte Knallgasreaktion
Pluspol: =2 + 2 H2O + 4e- 4 (OH)-
Reduktion
PE-Membran: semipermeabel für H+, nicht für O
Minuspol:2H2 + 4 (OH)- 4H2= + 4e-
Oxidation
Gesamtreaktion:2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (fl)
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Thermoelement• Aufgrund der unterschiedliche Beweglichkeit von Ladungen in zwei
verschiedenen Metallen, kommt es an der Grenzfläche zu einer Ladungstrennung (Seebeck-Effekt).
• Dazu muss die Verbindungsstelle auf einer höheren oder tieferen Temperatur als die Umgebungstemperatur 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.• Das Peltier-Element transportiert Wärme von einer Elektrode zur anderen.• Zwei verschiedene Halbleiter-Elektroden sind über Kupferdrähte miteinander
verbunden.• Legt man nun eine Spannung an, wird die eine Elektrode kalt und die andere
heiß. • Die sogenannte Coldplate nimmt dabei Wärme auf, die zur Hotplate
transportiert wird und dort mit Hilfe von Kühlkörpern und Lüftern abgeführt werden kann.
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Coldplate
Hotplate
hohe Temperatur
niedrige Temperatur