Begriffe zur Elektrik und Elektochemie

Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung
Begriffe zur Elektrik und Elektrochemie
Akkumulator
Ein Akkumulator ist eine elektrische Energiequelle, die wie eine
Batterie Gleichstrom liefert.
Im Gegensatz zur Batterie können bei einem Akkumulator die
chemischen Reaktionen, die beim Entladen stattfinden, durch Anlegen
einer äußeren Spannung (Ladegerät) wieder umgekehrt werden.
NT(Ph)7
Atom
Atome sind die Bausteine der Materie.
Jedes Atom besteht aus einem positiv
geladenen Atomkern und einer negativ
geladenen, im Vergleich zum Kern sehr
leichten Atomhülle. Es gibt über 100
chemische Elemente, deren Atome sich im
Aufbau unterscheiden.
Atome haben etwa einen Radius von einem
Zehnmillionstel Millimeter, also 1010 m.
Der Atomkern ist noch viel kleiner: Sein
Radius beträgt nur etwa ein Hunderttausendstel des Atomradius,
also 1015 m. Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, dann
wäre der Kern so groß wie ein Stecknadelkopf. Obwohl der
Atomkern so klein ist, macht seine Masse mehr als 99,9 % der
Atommasse aus.
NT(Ph)7
CNTG 8
C9
Ph 9
Atomkern
Der Atomkern ist der zentrale, positiv geladene Teil des Atoms, der fast NT(Ph)7
die gesamte Masse des Atoms trägt. Er besteht aus positiv geladenen CNTG 8
Protonen und ungeladenen Neutronen.
C9
Batterie
Eine Batterie ist eine elektrische Energiequelle, die Gleichstrom liefert. NT(Ph)7
CNTG8
Pluspol:
Hier herrscht Elektronenmangel. Er zieht Elektronen aus
dem Leiter.
Minuspol: Hier herrscht Elektronenüberschuss. Er gibt Elektronen an
den Leiter ab.
Im Innern sorgen chemische Reaktionen dafür, dass am Pluspol
Elektronenmangel und am Minuspol Elektronenüberschuss aufrechterhalten werden.
In einer Batterie läuft eine Redoxreaktion ab, bei der die Teilreaktionen CNTG9
räumlich voneinander getrennt sind.
Am Minuspol findet die Oxidation/Elektronenabgabe statt:
z. B.:
Ox.:
Zn  Zn2+ + 2 eAm Pluspol findet die Reduktion statt:
z. B.:
Red.:
Cu2+ + 2 e-  Cu
Damit lautet der Gesamtprozess in diesem Fall:
Redox: Cu2+ + Zn  Cu + Zn2+
Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie
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Funktionsprinzip einer Batterie
2
Minuspol
2e-
Pluspol
Zn-Stab
(Elektrode)
Cu-Stab
(Elektrode)
2e– 1
ZnSO4-Lsg.
Zn
3
Zn2+
Cu2+
CuSO4-Lsg.
2e–
Cu
4
SO42-
1
Zink-Atome geben Elektronen ab und gehen als Zink-Ionen (Zn2+) in Lösung.
2
Elektronen fließen durch den Draht.
3
Kupfer-Ionen (Cu2+) nehmen Elektronen auf und scheiden sich als KupferAtome ab.
4
Zum Ladungsausgleich wandern Ionen durch das Diaphragma.
NT(Ph)7
elektrische
Energiequelle,
auch:
Spannungsquelle,
Stromquelle,
elektrische
Quelle
Eine elektrischen Energiequelle ist eine „Pumpe“ für Ladungen. An
ihrem Minuspol herrscht Elektronenüberschuss, an ihrem Pluspol
Elektronenmangel.
Typische elektrische Energiequellen für Gleichspannungen sind die
Batterie und der Akkumulator.
Elektrode
Als Elektrode bezeichnet man allgemein das Ende eines
Elektronenleiters (Metall oder Graphit), das Elektronen aufnehmen
oder abgeben kann.
Elektrolyse
NT(Ph)7
Die Elektrolyse ist die chemische Zerlegung eines Stoffes durch
elektrischen Strom (Bsp. Salzlösung, Salzschmelze).
CNTG 8
Aufgrund der Anziehungskräfte wandern nach Anlegen einer
C9
Gleichspannungsquelle die Anionen (negativ geladen) zur positiven
Elektrode. Dort geben sie Elektronen ab und werden dadurch entladen.
Die Kationen (positiv geladen) wandern entsprechend zur negativen
Elektrode und werden dort durch Elektronenaufnahme entladen.
Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie
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Prinzip der Elektrolyse einer Salzlösung
2
Pluspol
Minuspol
elektrische
Energiequelle
GraphitElektrode
ZinkElektrode
2e– 1
I2
3
2 I–
Zn2+
2e–
Zn
++
ZnI2-Lsg.
1 Iodid-Ionen (I–) wandern zum Pluspol und geben Elektronen ab. Hierbei
entsteht Iod (I2).
2 Die elektrische Energiequelle pumpt die Elektronen vom Plus- zum
Minuspol.
3 Zink-Ionen (Zn2+) wandern zum Minuspol und nehmen Elektronen auf.
Hierbei scheidet sich metallisches Zink ab.
Elektronen
Elektronen sind die Bausteine der Atomhülle. Sie haben im Vergleich
zum Atomkern eine sehr kleine Masse und tragen eine negative
Elementarladung. In festen Leitern (Metalle, Graphit) ist ein Teil der
Elektronen beweglich.
NT(Ph)7
Elementarladung Die Elementarladung e ist der kleinste Betrag der Ladung, die ein
Ph 8
freies Teilchen tragen kann. Die Ladung jedes Teilchens und jedes
CNTG 8
Körpers ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung. Ihr
C9
Wert ist
e = 0,00000000000000000016022 As = 1,6022·10-19 As = 1,6022·10-19 C.
Typische Träger einer Elementarladung sind das Elektron (eine
negative Elementarladung) und das Proton (eine positive
Elementarladung).
Galvanisches
Element
Galvanisches Element ist die in der Elektrochemie gebräuchliche
Bezeichnung für eine elektrische Energiequelle, deren Bauprinzip dem
oben beschriebenen Funktionsprinzip einer Batterie entspricht. Jede
Batterie besteht aus einem oder mehreren galvanischen Elementen.
CNTG 8
C9
Halbleiter
Halbleiter sind Stoffe, die den elektrischen Strom bei Raumtemperatur
schlecht leiten. Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit
zunehmender Temperatur.
In einem Halbleiter sind die Ladungsträger (Elektronen) schwach an
die Atomrümpfe gebunden. Erst durch Energiezufuhr (z. B. Wärme,
Licht) werden diese Ladungsträger freigesetzt.
Im Periodensystem stehen Halbleiter als Halbmetalle zwischen den
Metallen und den Nichtmetallen (Bsp.: Silicium, Germanium)
Ph 10
Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie
CNTG 8
C9
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Ion
Ionen sind elektrisch geladene Teilchen, die aus Atomen oder
Molekülen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen entstanden
sind. Man unterscheidet zwischen Kationen und Anionen.
 Kationen sind positiv geladene Teilchen, da sie über weniger
Elektronen als Protonen verfügen.
 Anionen sind negativ geladene Teilchen, da sie über mehr
Elektronen als Protonen verfügen.
CNTG 8
C9
Ladung Q
Es ist eine Grundeigenschaft von Materie, dass Körper und Teilchen
elektrisch geladen sein können. Es treten zwei Ladungsarten auf
(positiv und negativ), die sich gegenseitig neutralisieren.
Zwischen geladenen Körpern wirken Kräfte: (gleichnamig geladen:
Abstoßung, ungleichnamig geladen: Anziehung).
Maßeinheit: 1 As (Amperesekunde) = 1 C (Coulomb)
Ph 8
Ladungsträger
Geladene Teilchen, die in Leitern frei beweglich sind:
in Metallen und Graphit: Elektronen
in Lösungen und Schmelzen von Salzen: Ionen
Leiter
Leiter sind allgemein Stoffe, durch die elektrischer Strom leicht fließen NT(Ph)7
kann, d. h. eine kleine Spannung genügt, um eine nennenswerte
Stromstärke hervorzurufen.
Typische Leiter sind Metalle und Graphit, in denen Elektronen als leicht
bewegliche Ladungsträger dienen. In Lösungen und Schmelzen von
Salzen fungieren Ionen als bewegliche Ladungsträger.
Nichtleiter
Nichtleiter (Isolatoren) sind allgemein Stoffe, durch die elektrischer
Strom nicht oder nur bei sehr großer Spannung fließen kann, da in
ihnen kaum bewegliche Ladungsträger vorhanden sind.
Typische Nichtleiter sind Porzellan, Glas, viele Kunststoffe.
Spannung U
Die elektrische Spannung zwischen zwei Anschlüssen (z. B. den Polen NT(Ph)7
einer elektrischen Energiequelle) ist die Ursache für den Stromfluss
durch den angeschlossenen Verbraucher. Sie ist ein Maß für die
Fähigkeit einer elektrischen Energiequelle, Ladungen durch den
Stromkreis zu „pumpen".
Ph 8
Maßeinheit: 1 V (Volt)
Die Spannung gibt an, wie viel Energie pro transportierter Ladung
freigesetzt wird. Eine Ladung, die sich auf dem einen Pol einer
elektrischen Energiequelle befindet, hat potenzielle Energie in Bezug
auf den anderen Pol.
Der elektrischen Spannung entspricht im Wassermodell der Druck, den
die Wasserpumpe aufbaut.
Spannungsquelle,
Stromquelle
siehe elektrische Energiequelle
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NT(Ph)7
NT(Ph)7
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Stromfluss
NT(Ph)7
Elektrischer Strom fließt, wenn sich Ladungen bewegen.
Minuspol
Pluspol
Atomrumpf
Elektron
Bei Stromfluss in Metallen bewegen sich Elektronen vom Minuspol der
elektrischen Energiequelle durch das Kabel und den „Verbraucher“
(Glühlampe, Motor) zum Pluspol. Am Minuspol der elektrischen
Energiequelle herrscht Elektronenüberschuss, am Pluspol Elektronenmangel.
In Salzschmelzen oder Lösungen bewegen sich entsprechend Ionen.
Bei Stromfluss entsteht immer ein Magnetfeld.
Elektrischer Strom kann bewirken, dass sich ein Leiter erwärmt oder
dass, z. B. in einer Flüssigkeit, chemische Veränderungen stattfinden.
Stromkreis
Ein Stromkreis besteht aus elektrischer Energiequelle, Verbraucher
und Verbindungskabeln:
NT(Ph)7
elektrische
Energiequelle
Glühlampe als
Verbraucher
Bewegung der Elektronen: Vom Minuspol über den Verbraucher zum
Pluspol.
Weiteres Beispiel eines Stromkreises:
Spannungsmessgerät
U
elektrische Energiequelle
+
Stromstärkemessgerät
I
Schalter
Widerstand
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Stromrichtung
Es wurde festgelegt, dass die (technische) Stromrichtung vom Pluspol Ph 9
über den Verbraucher zum Minuspol verläuft, also entgegengesetzt zur
Elektronenbewegung.
Stromstärke I
Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Zeiteinheit
durch einen Leiter transportiert wird.
Maßeinheit: 1 A (Ampere)
Der elektrischen Stromstärke entspricht im Wassermodell der
Durchfluss (in Litern pro Sekunde) in einem Rohr.
NT(Ph)7
Widerstand R
Der elektrische Widerstand eines Verbrauchers gibt an, wie sehr der
Verbraucher den Stromfluss hemmt.
NT(Ph)7
Maßeinheit: 1  (Ohm) = 1
V
.
A
Ph 8
Der Widerstand ist der Quotient aus Spannung U und Stromstärke I. In
vielen Fällen sind U und I zueinander direkt proportional, d. h., der
Widerstand ist konstant.
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