Verschiedene Formen der Ladungstrennung
Reibung
•
elektrostatische Aufladung, Reibungselektrizität
Dissoziation
•
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 Q
wird elektrisches Feld genannt.

q
Q
• In diesem Raum wird auf eine
Ladung 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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Das elektrische Feld
• Die Höhenunterschiede im „Gebirge“
sind ein Maß für die Höhe
der Spannung U.
• Die Steilheit des „Gebirges“ ist ein
Maß für die Stärke des elektrischen
Feldes E.
• Ein elektrisches Feld E ist homogen
(d.h. überall gleiche Feldstärke E),
wenn sich die Steilheit nicht ändert.

q
Q
Q
Q
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Das elektrische Feld

q
Q
d
• Für die Ladung q im elektrischen Feld E der Ladung Q gilt:
„Hubkraft“ F ist proportional zur „Steilheit“ E und Ladung q :
F = Eq
„Hubhöhe“ ist proportional zur „Steilheit“ E und Abstand d der Platten:
U = Ed
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Das elektrische Feld
• wichtiges Experiment:
Wird der Abstand der Platten
erhöht, steigt die Spannung U.
Welche Arbeit kann eine Ladung q verrichten ?
W = F·d = q·E·d = q·(E·d) = q·U
Die 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“.
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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. (piezein ; 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 Gitarre
Umkehrung: Einspritzdüsen im Automotor
oder 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 getrennt
werden.
• 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/n
Übergang bricht zusammen. Obere Metallelektrode wird negativ.
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Galvanische Elemente 1
Luigi 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 wenige
Cu2+ Kationen, Cu ist ein edleres Metall).
Bei Stromfluß über das Messgerät:
An Kupferplatte entsteht Wasserstoffgas H2
(Die Wasserstoffhaut um Kupferelektrode
hindert den Spannungsaufbau)
Beispiel: Zitronenbatterie
+
2e-
Zn2+
H2SO4 (aq)
2H+ (SO4)2-
www.wdr.de
•
9
Galvanische Elemente 2
Daniell-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.
Zink
Cu
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Akkumulator
Anode oder Kathode ?
ZnI2 (aq) (Zinkiodid-Lösung)
http://www.chemieunterricht.de
Es gilt immer:
• Anionen A-n wandern zur „Anode“ !
• Kationen B+m wandern zur „Kathode“ !
• Minuspol hat Elektronenüberschuß
• Pluspol hat Elektronenmangel
ZnI2 (aq) (Zinkiodid-Lösung)
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Brennstoffzelle
„kontrollierte Knallgasreaktion“
Anode:
2 H2  4H+ + 4ePolymer 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 Spannung
erzeugt unterschiedliche Temperaturen).
Das Peltier-Element transportiert Wärme von
einer Elektrode zur anderen.
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
Hotplate
coldplate
niedrige Temperatur
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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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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 + 2ePositiver 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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