Stromquellen Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

1. StromquellenWichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Schriftliche Hausarbeit von Ralf Hirnich Universität Augsburg Didaktik der Physik

2. 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

3. 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

4. Verschiedene Formen der Ladungstrennung Reibung • elektrostatische Aufladung, Reibungselektrizität Dissoziation • 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

5. 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. Animation: Galvanisches Element

6. Verschiedene galvanische Elemente Typ + Pol _ Pol Ätzmittel Elementspannung Zink-Kohle C Zn Braunstein 1,5 V Zink-Luft O2 Zn Kalilauge 1,2 V Fe-Knopfzelle HgOZn Kalilauge 1,5 V

7. 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 + So42-  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.

8. 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.

9. 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: 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

10. 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)

11. 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.

12. Photozelle Die Photozelle, auch lichtelektrische Zelle genannt, ist eine Stromquelle, in der durch den so genannten äußeren Photoeffekt Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird.

13. 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)

14. 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.

15. 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. hohe Temperatur Coldplate Hotplate niedrige Temperatur