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TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Kapitel 6 Repetitionen Chemische Spannungsquellen Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn 055 - 654 12 87 Ausgabe: März 2009 Luigi Galvani 1737 – 1798 Arzt, Anatom und Biophysiker 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 4 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN MECHANIK http://www.chemieinteraktiv.net/html_flash/ff_zink_kohle_batterie.swf 06. April 2017 www.ibn.ch Seite 2 Animation der chemischen Reaktion des Kohle-Zink Elements Version 2 TG 6 1 RE 1.1461 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Belastete Gleichspannungsquelle Ein 12V -Akku hat einen Innenwiderstand von 70 m . 10 ,46V Berechnen Sie die Klemmenspannung bei 22A ! 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 2 RE 1.1462 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Belastete Gleichspannungsquelle Bei einer 4,5V -Batterie sinkt die Spannung an den Klemmen bei 0,6 A Belastung auf 4,3V . 0,3333 Bestimmen Sie den Innenwiderstand! 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 3 RE 1.1451 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Kurzschluss Gleichspannungsquelle Eine 4,5V -Batterie ( U 0 4,5V ) hat 0,71 Innenwiderstand. 6,338 A Wie gross ist der Kurzschlussstrom bei Klemmenkurzschluss? Zink-Kohle-Batterie (3R12/4.5V) Carbon Zinc Battery (3R12/4.5V) Quecksilber und Cadmium-frei Besserer Schutz gegen Leckagen 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 4 RE 1.1452 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Kurzschluss Gleichspannungsquelle Berechnen Sie den Innenwiderstand der Zelle: 0,2162 I + U0 - 06. April 2017 www.ibn.ch A RM U 0 1,58V I 4,2 A RM 0,16 1,5V Version 2 TG 6 5 RE 1.1463 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Belastete Gleichspannungsquelle Berechnen Sie den Strom im LB-Mikrofonkreis nach dem schliessen des Gabelkontaktes „G“! Momentanwert des Miktofonwiderstandes 30 ( Ri 0,66 , Innenwiderstand der Zelle). I 47 ,98 mA G RM RS U 0 1,5V RM 30 RS 0,6 + - U0 LB Lokal-Batterie 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 6 RE 1.1464 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Belastete Gleichspannungsquelle Eine Batterie mit 24V Leerlaiufspannung und einem konstanten Innenwiderstand Ri 1,2 wird 2,16V a) mit 1,2 A und b) mit 3 A belastet. Bestimmen Sie nden Klemmenspannungsunterschied, wenn mit den beiden angegebenen Belastungen gerechnet wird! 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 7 RE 1.1465 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Belastete Gleichspannungsquelle Wieviel muss der Widerstrand R aufweisen, damit in den beiden Batterien gleich starke Ströme fliessen? UR I I2 I1 RL Ui1 U01 0,74 R Ui2 Ri1 + - U02 UKl1 Ri2 + - UKl2 U 01 12V Ri1 0,02 U 02 18V Ri 2 0,03 I 16 A 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Kurzschluss 4,688 A 4,617 A RE 1.1453 I U 0 4,5V Ri 0,32 pro Zelle Ri Ui U Kl + - 0,0175mm2 / m U0 Bestimmen Sie den Kurzschlussstrom: a) b) 06. April 2017 www.ibn.ch bei Klemmenkurzschluss und wenn die Klemmen mit einem Cu-Band von 0,12 x6mm und 600 mm massgebender Länge kurzgeschlossen werden! Version 2 TG 6 9 RE 1.1466 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Belastete Spannungsquelle Wie gross ist die Klemmenspannung der Batterie: a) b) 4,5V 3,841V bei offenem Schalter und bei geschlossenem Schalter? U 0 4,5V , Ri 0,8 pro Zelle, R 12 , Kabellänge l 16 m , Ø Cu-Draht 0,6mm , 0,0175mm2 / m I Ri RL S Ui U1 + - U2 R U0 RL 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 10 RE 1.1454 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Kurzschluss 12V-Batterie Eine 12V -Batterie hat einen Innenwiderstand von 18 ,4m . Es ist der Kurzschlussstrom zu berechnen: 652 ,2 A 117 ,2 A a) bei Klemmenkurzschluss und b) beim Kurzschluss über ein total 3,6 m langes Cu-Kabel von 1,5 mm2 Querschnitt ( 0,0175mm2 / m )! I I RL Ri Ri Ui Ui U1 U1 + - U0 + - U2 U0 RL 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 11 RE 1.1467 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Lastfall Batterie Bestimmen Sie bei geschlossenem Schalter S: a) die Leerlaufspannung, b) die Klemmenspannung der Batterie und c) die Verbraucherspannung! I 36V 34 ,74V 34 ,24V RL S Ri 0,7 Ri Ui U1 + - U2 U0 R RL 0,15 I 1,8 A R 19 RL 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 12 RE 1.1455 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Kurzschluss Fotoelement Ein Fotoelement hat: a) bei 1000 lx Beleuchtungsstärke 410 mV Leerlaufspannung und einen Kurzschlusstrom von 1000A und b) bei 500 lx Beleuchtungsstärke 390 mV Leerlaufspannung und 500A Kurzschlussstrom. 410 780 Photozelle (Fotozelle) Berechnen Sie je den Innenwiderstand! I Flammwächter in Ölbrennern Ri Ui UKl A + K - U0 Die Kathode (K) besteht aus einem möglichst unedlen Metall (z. B. Caesium oder Radium mit besonders geringer Austrittsarbeit), aus dem durch Licht Elektronen freigesetzt werden können, falls die Energie des Lichtes ausreichend groß ist (Äußerer Photoelektrischer Effekt). Aus diesem Grund heißt sie auch Photokathode. Die Anode (A) ist meist ein Drahtring, der nicht vom Licht getroffen werden soll. Die Anode soll die aus der Kathode ausgelösten Elektronen aufsammeln und wird deshalb meist positiv aufgeladen. Abgrenzung aus Halbleitern aufgebaute Photoempfänger zählen zu den Halbleiterdetektoren, es sind z.B. Photodioden, Photowiderstände oder Solarzellen – diese werden nicht als Photozellen bezeichnet. Infrarot Photo LEDs Sender und Empfänger Empfänger (dunkel) Sender (klar) 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 13 RE 1.1468 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Thermoelement Das Chromnickel-Nickel-Thermoelement für die Temperaturmessung eines Härteofens hat folgende Daten: U 0 ' 4,04 mV pro 100C Ri 422 m . 689 m Thermoelement Thermoelemente wandeln eine Temperaturdifferenz durch den Seebeck-Effekt in eine elektrische Spannung um. Welchen Widerstand muss der äussere Messkreis aufweisen, wenn bei einer Temperatur von 1100C ein Strom von 40mA fliessen soll? grün I gr Ri Ui UKl K R zur Wahl des geeigneten Temperaturfühlers müssen die Anforderungen an den ws + - Temperaturbereich, - die Antwortzeit, - Genauigkeit, - Zuverlässigkeit, - Robustheit und - die Lebensdauer U '0 - weiss des Temperaturfühlers festgelegt werden. Ebenso die Umgebungsbedingungen mit den chemischen und physikalischen Eigenschaften des zu messenden Mediums, die Platzierung sowie die verwendete Meßmethode. EN 60 584 Tabelle Typ Thermo Element MaximalTemp. J Fe-CuNi 750 T Cu-CuNi 350 K NiCr-Ni 1200 E NiCr-CuNi 900 N NiCrSi-NiSi 1200 S Pt10Rh-Pt 1600 R Pt13Rh-Pt 1600 B Pt30RhPt6Rh 1700 Seebeck Effekt Die Spannung entsteht durch Thermodiffusionsströme in einem Material. Anders als zur Messung reicht für die Erklärung die Betrachtung nur eines Materials mit Temperaturgradienten. Am heißen Ende des Leiters gibt es mehr Elektronen mit hoher Energie und weniger Elektronen mit geringer Energie (unterhalb des chemischen Potentials). Durch Diffusion bewegen sich entsprechend energiereiche Elektronen zum kalten Ende und Elektronen mit wenig Energie in die entgegengesetzte Richtung. Dies beschreibt die Wärmeleitung durch Elektronen. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 14 RE 1.1456 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Solarpanel Ein Solarpanel wird bei 60C und einer Sonnenleistung von 1000 W / mm 2 betrieben. An diesem Arbeitspunkt hat das Panel eine Leerlaufspannung von 19V . a) b) c) d) Wie gross ist der maximele Kurzschlusstrom des vorhanden Panels? Wie gross ist der Innenwiderstand im PMPP ? Wie gross ist der Innenwiderstand im Kurzschluss? Bestimmen Sie in 2,5V Schritten, in der vorhandenen Grafik, die maximale Leistung des vorhandenen Solarpanels! Spannung-Strom-Diagramm I + Serie- und Parallelschaltung P [W ] + Ri SP Ui UKl + - R U '0 SP - U OC 21,6V I SC 2,99 A U MPP 17 ,9V I MPP 3,2 A SP Solar-Panel U OC Leerlaufspannung I SC Kurzschlussstrom MPP U MPP 06. April 2017 www.ibn.ch Maximaler Power Point Spannung am MPP I MPP Strom am MPP PMPP Maximale Leistung Version 2 385 ,6mA 5,075V 7,265V 12 ,34V die Stromstärke, die Klemmenspannung der Batterie 1, die Klemmenspannung der Batterie 2 die Klemmenspannung des Verbrauchers! Ri1 U i1 U 01 Ui2 + + + Ri2 + I - a) b) c) d) - RE 1.1469 Serieschaltung von Batterien Für die gegebene Schaltung sind zu bestimmen: - 15 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN - TG 6 U 02 R U 01 6V Ri1 2,4 U 02 9V Ri 2 4,5 R 32 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 16 RE 1.1470 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Solargenerator in Skihütte Eine Skihütte wird für Beleuchtungdzwecke mit einem Solargenerator mit folgenden Daten ausgerüstet: 10 ,09 2,388 32 ,96W 8,159 Solarregler + I I SolarGenerator + Ri SP R iB Ui USP + - + - U '0 - R U OC 21,2V I SC 2,1A U MPP 16,4V I MPP 2,01 A + SP - Berechnen Sie: a) b) c) d) Wie gross ist der Innenwiderstand im Kurzschluss? Wie gross ist der Innenwiderstand im PMPP ? Bestimmen Sie die maximale Leistung des vorhandenen Solarpanels! Welchen Eingangswiderstand hat die Pufferbatterie? U OC Leerlaufspannung I SC Kurzschlussstrom MPP U MPP Maximaler Power Point Spannung am MPP I MPP Strom am MPP PMPP Maximale Leistung 75Ah 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 17 RE 1.1471 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN 4,5V-Batterie Eine 4,5V -Leclanchebatterie hat 0,72 Innenwiderstand und 5V Leerlaufspannung. Berechnen Sie: 6,48 0,6944 A 3,125W a) den Aussenwiderstand, b) die Stromstärke und c) die Leistungsabgabe, 3,78 1,111 A 4,667 W wenn die Klemmenspannung 4,5V , 4,2V und 4V beträgt! I 2,88 1,389 A 5,556 W + Batterie Ri Ui U Kl + - R U0 + - 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 18 RE 1.1472 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Parallelschaltung von Batterien Berechnen Sie: 8A 12 A a) den Strom I1 in der Batterie 1, b) den Strom I 2 in der Batterie 2, c) die Klemmenspannung der Batterie 1 und d) die Klemmenspannung der Batterie 2! I + I1 Batterie 1 Ri1 + - I1 Batterie 2 U i1 Ri 2 Ri1 0,012 U 01 24V Ui2 UKl + U01 23,904 V 23,904 V - + + - - U02 R Ri 2 0,008 U 02 24V I 20 A - 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 19 RE 1.1473 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Trockenbatterie Eine 12V -Trockenbatterie mit 8 Innenwiderstand soll an einem Verbraucher das Maximum an Leistung abgeben. Bestimmen Sie in Bezug auf den Verbraucher: a) b) c) d) e) den Widerstand, die Klemmenspannung, die Stromstärke, die Leistung und den Wirkungsgrad der ganzen Schaltung! 8 6V 750 mA 4,5W 50% I + Batterie Ri Ui UKl + R - U0 + - 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 20 RE 1.1474 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Photodioden Ein Fotodiode gibt bei 392 mV Spannung 53A ab. Wie gross ist: 7,396k 20,78W a) der Lastwiderstand und b) die Nutzleistung! I Ri Ui UKl + - U0 R SelenFotoelement Eine Selenzelle, auch als SelenPhotoelement bezeichnet, ist ein photoelektrisches Element, das bei Beleuchtung eine elektrische Spannung erzeugt. Sie waren die ersten Photoelemente. Sie werden heute nicht mehr verwendet und sind in den Anwendungen weitgehend durch Photodioden abgelöst. Fotodiode Eine Photodiode ist eine HalbleiterDiode, die sichtbares Licht – in manchen Ausführungen auch IR-, UVoder Röntgenstrahlen – an einem p-nÜbergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt. Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen. Photodioden oben eine Germanium-Photodiode, darunter Silizium-Photodioden 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 21 RE 1.1475 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Solarpanel Von einem Solarpanel ist bekannt: 5,524 1,243 4,525 2,5V 5,027 W 2,011 A U 0 11,6V I K 2,1A P 18,3W bei 9,1V Berechnen Sie: a) b) c) d) e) f) den Innenwiderstand bei Kurzschluss, den Innenwiderstand bei 18 ,3W Belastung, den Lastwiderstand, den Spannungsverbrauch im Panel, die Verlustleistung des Panels und die Stromstärke! I + + Ri SP Ui UKl + - R U '0 SP - 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 22 RE 1.1476 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Photoelement Ein Fotoelement hat bei 1000 lx Beleuchtungsstärke eine Leerlaufspannung von 410 mV und einen Kurzschlussstrom von 50A . Es speist einen Lastwiderstand von 8,2k . 25A 205 mV 31,23A 256 ,1mV Berechnen Sie: a) die Stromstärke des Lastwiderstandes, b) die Klemmenspannung des Lastwiderstande! Die Beleuchtungsstärke steigt auf 1600 lx . Die hat eine Leerlaufspannung von 420 mV und einen Kuruschlussstrom von 80A zur Folge. Wie gross ist jetzt: c) die Stromstärke und d) die Lastwiderstandsspannung? Fotodiode I FotoElement Ri Eine Photodiode oder auch Fotodiode ist eine Halbleiter-Diode, die sichtbares Licht – in manchen Ausführungen auch IR-, UV- oder Röntgenstrahlen – an einem p-nÜbergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt. Ui UKl R + - U0 Fototransistor Ein Foto- bzw. Phototransistor ist ein Bipolartransistor mit pnp- oder npnSchichtenfolge, dessen pn-Übergang der Basis-Kollektor-Sperrschicht einer externen Lichtquelle zugänglich ist. Er ähnelt somit einer Photodiode mit angeschlossenem Verstärkertransistor. Die Ansteuerung des Transistors wird mittels des über den Lichteinfall erzeugten Sperrstromes durch diese Sperrschicht realisiert. Fotowiderstand Ein Fotowiderstand (englisch Light Dependent Resistor, LDR) ist ein lichtabhängiger Widerstand aus einer amorphen Halbleiter-Schicht. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 23 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Serieschaltung von Batterien Geben Sie die Spannung zwichen den Klemmen 24V 6V 30V a) 1 und 2, b) 2 und 3 sowie c) 1 und 3 an! - + + - + Ri 2 Batterie 1 Batterie 2 - Ri1 + 1 U02 Ui2 - U01 U i1 U 01 24V U 02 6V 2 3 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 24 RE 1.1481 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Serieschaltung von Batterien Geben Sie die Spannung zwichen den Klemmen 24V 18V 6V a) 1 und 2, b) 1 und 3 sowie c) 2 und 3 an! Prinzip Kohle-Zink-Batterie - + + - + Ri 2 Batterie 1 Batterie 2 - Ri1 + 1 E2 Ui2 - E1 U i1 E1 24V E2 6V 2 3 Bei der Entladung der Batterie werden dem Zink Elektronen entzogen. Dadurch entstehen positiv geladene Zinkionen (Kationen), welche in den negativ geladenen Elektrolyten übergehen. Der Zinkbecher wird dadurch zerstört. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 25 RE 1.1431 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen Wie gross muss die Kapazität einer Speisebatterie sein, wenn man 24 Stunden lang einen Strom von 1,84 A entnehmen will? 44,16Ah Metallkappe + Kohlestab (Kathode) Zinkbecher (Anode) Mangan(IV)oxid Elektrolyt (Ammoniumchlorid) Metallboden - Braunstein Mangan(IV)-oxid, auch Mangandioxid oder Braunstein, ist ein Oxid des Mangans mit der Summenformel MnO2. Mangan liegt hier in der Oxidationsstufe +4 vor. Aufgrund seines Aussehens (dunkelbraun, glänzt seidig, körnig bis erdig) wird es auch Magnesia nigra, schwarzes Magnesia, oder etwas unpräzise als Braunstein bezeichnet. Braunstein ist jedoch eine Gruppe von ManganMineralien, deren Hauptbestandteil Mangandioxid ist. Geschichte Mangan(IV)-oxid wurde früher unter Handwerkern als „Glasmacherseife“ bezeichnet, da es durch Eisen(III)silikate verfärbte Glasschmelzen entfärben konnte. Schon in den Gläsern der alten Ägypter und Römer findet man etwa 2 % Manganoxide. Wahrscheinlich wurde schon zu dieser Zeit Braunstein zum Aufhellen der Gläser benutzt. Gesundheitsschädlich (Xn) Mangan(IV)-oxid ist ein braunschwarzes Pulver, das in Wasser unlöslich ist. Außerdem findet keine Reaktion mit kalter Schwefeloder Salpetersäure statt. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 26 RE 1.1432 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen Eine Autobatterie hat 72 Ah Kapazität. Wie lange könnte sie theoretisch den Anlasser bei 810 s 13,5 Min. 324 s 5,4 Min. a) 320 A und b) 800 A speisen? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 27 RE 1.1433 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen Ein Kleinakkumulator hat 2,95Ah Kapazität. Nach 150 Minuten ist er, bei voller Ladung, entladen. Wie gross war die Stromstärke A und mA im Mittel? 1,18 A 1180mA Unterschied Akku und Batterie In der Umgangsprache hat sich die Einteilung Batterie - nicht wiederaufladbar, Akku wiederaufladbar entwickelt. Primärzellen Nicht wiederaufladbar und häufig als Batterien bezeichnet . Mignon-Batterie Sekundärzellen Möglichkeit der Wiederaufladung und meist als Akkumulatoren bezeichnet. Mignon-Akku DUDEN: Batterie: 1. Bedeutung »mit mehreren Geschützen bestückte militärische Grundeinheit. DUDEN: Batterie: 2. »aus mehreren zusammengeschalteten Elementen bestehende Stromquelle«. Es geht auf das lateinische »battuere« zurück (vgl. Bataillon) - Aus dem Engl. stammt die Lehnbedeutung »große Anzahl von gleichartigen Dingen«. Die Käfighaltung in der Geflügelproduktion wird ja beispielsweise auch als "Legebatterie" bezeichnet. DUDEN: Akkumulator »Energiespeicher« : Das Wort ist eine Entlehnung des 19. Jh.s aus lat. accumulator »Anhäufer«, das zu lat. ac-cumulare »anhäufen« gehört. Akku bedeutet nur "Anhäufer" und Batterie bedeutet nur "mehrere Zellen zusammen", die Möglichkeit der Wiederaufladung wird hiermit nicht bestimmt. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 28 RE 1.1434 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen Welche Elektrizitätsmenge in Ah braucht es um einen Bleiakkumulator von 72 Ah Nennkapazität bei 90% Ladewirkungsgrad voll aufzuladen? 80 Ah Unterschied Bleiakku Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht. Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 V Beim Laden spaltet sich das Wassermolekül und an der Anode bildet sich Bleidioxid (PbO2) als wirksame Elektrodenmasse. Sie verfärbt sich dunkelbraun. Die Kathode besteht im geladenen Zustand aus reinem Blei (grau). Beim Entladen Sulfatieren beide BleiElektroden (PbSO4). Der Elektrolyt wird immer wässriger (verdünnte Schwefelsäure H2SO4 + H2O). Stahlakku Die Platten sind vernickelte Stahlplatten,deshalb der Name. Die Säure ist im Gegensatz zum bekannteren Bleiakku keine Schwefelsäure sondern Kalilauge. Die Zellenspannung ist 1,3 V (ähnlich NiCd bzw. NiFe). Nachteil Energiedichte, Gewicht Vorteil Unempfindlicher Lebensdauer 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 29 RE 1.1435 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen 74% Wie gross ist der Ladewirkungsgrad eines Nickel-Cadmium-Akkumulators mit einer Ladekapazität von 120 Ah , wenn 48 Stunden lang ein Strom von 1,85 A entnommen werden kann? Gebräuchliche Akkutypen Bezeichnung Aufbau Blei-Akku Anwendung Umwelt I/U-Ladeverfahren Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure (H2SO4) Anode Bleioxid (PbO2). Kathode metallisches Blei NiCd Ladeverfahren Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhydrid (KOH). Anode Oxy-Nickelhydroxid (2NiOOH) Kathode Cadmium Nennspannung 2V Leerlaufspannung 2,08V Selbstrentladung 2% pro Tag Konstantstrom oder Reflex-Ladeverfahren Memoryeffekt Hohe Strombelastbarkeit Geräte des täglichen Bedarfs giftig, aber recyclebar Geräte des täglichen Bedarfs giftig, aber recyclebar Nennspannung 1,2V NiMH Nickel und eine Metalllegierung Konstantstrom, kein Memoryeffekt Nennspannung 1,2V Li-Ion I/U-Ladeverfahren Lithium-Ionen, LithiumPolymere, Lithium-Metall 06. April 2017 www.ibn.ch Nennspannung 3V Selbstentladung 1% pro Monat Geräte des täglichen Bedarfs Version 2 TG 6 30 RE 1.1436 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen Ein Ladegerät liefert zum vollständigen Laden der Batterie einer Notbeleuchtung während 5 Std. 12 Min. einen Strom von 5 A und während 20 Std. einen Strom von 250 mA . 7,46Ah Ladegerät Wie lange könnte der Akkumulator 3,2 A abgeben, wenn der Ah Wirkungsgrad 77% ist? Akkumulator Notbeleuchtung 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 31 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Kupfergewinnung Bei der Gewinnung von Elektrolyt-Kupfer fliessen 8 kA während 24 h; Ausbeute: 84%. Welche Kupfermenge wird abgeschieden? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 32 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Versilbern eines Stahlbleches Ein Stahlblech mit einer Oberfläche von A 30cm 2 soll einer Silbernitratlösung (AgNO3) mit einer d 10 m dicken Schicht galvanisch versilbert werden. Die Stromausbeute der Galvanisierungsanlage beträgt 0,85 und die gewählte Stromdichte s 1,5 A / mm 2 Silbernitratlösung ist giftig ( c Ag 1,1179 mg / As ; Ag 10,5 g / cm 3 ). Bestimmen Sie: a) Nutzstrom I N , b) Badstrom I und erforderliche Zeit t in Minuten! 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 33 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Flachbatterie Eine Flachbatterie besteht aus 3 hintereinander geschalteten Zellen mit einer Quellenspannung von je 1,5 V und einem Innenwiderstand von je 0,18 . Die Klemmenspannung darf bei Belastung höchstens um 0,1 V absinken. 0 ,185 A 23,8 Welchen Widerstandswert darf der Lastwiderstand RL besitzen ? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 34 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Stromquelle Wird eine Stromquelle mit 23 Innenwiderstand und 1,5 V Leerlaufspannung belastet, so sinkt die Klemmenspannung auf 1,2 V ab. Wie gross ist der Belastungsstrom ? 06. April 2017 www.ibn.ch 13 mA Version 2 TG 6 35 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Ein Batterie liefert 16 Stunden lang bei einer Spannung von 240 V eine Stromstärke von 60 A. Wieviele kWh sind beim Laden aufzuwenden, wenn der Wirkungsgrad 75% beträgt? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 36 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Dichte einer Akku-Säure Wieviel Akkumulatorensäure von der Dichte 1,15 kg / dm3 und wie viel 3 von der Dichte 1,2 kg / dm ergeben zusammen 2,5 l Säure von der 1,0 l (1,2 ) 1,5 l (1,15) 3 Dichte 1,17 kg / dm ? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 37 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Batterievorwiderstand Auf welchen Wert ist der Vorwiderstand RV einzutellen? Machen Sie eine neue Skizze mit Innenwiderstand der Batterie und tragen Sie alle bekannten und berechneten Werte in dieser Schaltung ein. RV I U0 U Kl Ri 06. April 2017 www.ibn.ch 0,45 U 0 48V R UR Ri 0,05 U R 42V I 12 A Version 2 TG 6 38 RE 1.52 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie In einer Trommel wurden 2000 Schrauben M5x16 bei 7V Spannung und 40 A Stromstärke innert 60 Min. vernickelt ( c 1,0945 g / Ah ). 43,78g 42,47g Welche Menge Nickel wurde ausgeschieden: a) theoretisch und b) bei einer Stromausbeute von 97% ? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 39 RE 1.53 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Welche Elektrizitätsmenge wird benötigt, um 1 Tonne Aluminium elektrochemisch auszuscheiden ( c 0,3354 g / Ah )? 2,982MAh Vom Bauxid zum Aluminium Zusammensetzung Der Erdkruste [%] 06. April 2017 www.ibn.ch Sauerstoff 46,6 Silizium 27,7 Aluminium 8,1 Eisen 4,7 Calcium 3,6 Natrium 2,8 Kalium 2,6 Magnesium 2,1 Titan 0,4 Wasserstoff 0,1 Rest <0,1 Version 2 TG 6 40 RE 1.85 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Eine Minaturbatterie gibt während 12 ,1s eine Elektrizitätsmenge von 0,092 C ab. 7,603 mA Wie gross ist die Stromstärke? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 41 RE 1.87 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Beim vernickeln von Steckern fliesst während 28 Minuten ein Strom von 88 A . Das elektrochemische Aequivalent ist 1,0945 g / Ah , die Stromausbeute beträgt 85% . 38,21g Bestimmen Sie die ausgeschiedene Nickelmenge! F-Stecker Prüfbuchse 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 42 RE 1.90 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Zu verkupfernde Werkstücke haben eine Oberfläche von je 2,72 cm 2 . Die 2 Stromdichte soll 1,1A / dm betragen. 0,748 A 0,3117Ah a) Welche Stromstärke ist einzustellen, wenn gleichzeitig 25 Werkstücke verkupfert werden? b) Welche Elektrizitätsmenge wird benötigt, wenn der Prozess 25 Min. dauert? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 43 RE 1.54 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Welche Stromstärke ist beim Verkupfern einzustellen, wenn mit einem elektrochemischen Aeqivalent von c 2,3716 g / Ah , einer Stromausbeute von 80% zu rechnen ist und in 42 Min. 8,4g Cu ausgeschieden werden? 6,325 A Die Elektrode A sollte aus Kupfer sein, als Elektrolyt eignet sich zum Beispiel Kupfersulfat. Der Pluspol der Stromquelle sollte mit der Kupferelektrode (A) verbunden werden, der Minuspol mit dem Schlüssel. Nur wenn der Schlüssel negativ geladen ist, zieht er die zweifach positiven Kupferionen, die sich im Elektrolyten befinden, an. Höhere Stromstärke und längere Versuchsdauer erhöhen die am Schlüssel abgeschiedene Kupfermenge. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 44 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Auf einer Tabelle zu einem Silbertrommelbad findet man folgende Angaben: RE 1.55 Stromdichte 0,14 A / dm2 4,025 g / Ah Metalle und Legierungen, wie Neusilber (das ist eine Nickel-KupferZink-Legierung, die wie Silber aussieht), Kupfer, Messing, Zink, Zinn, Blei, Eisen, Stahl und Nickel, aber auch nicht-metallische Materialien wie Glas oder Kunststoffe sind für das Versilbern geeignet. Oberfläche der Charge 500 dm 2 Ausgeschiedene Silbermenge pro Minute 4,696g Welches elektrochemische Aequivalent ergibt sich aus diesen Angaben? Wichtige Erkenntnis 90er Versilberung Die Stärke der Versilberung auf Bestecken und Tafelsilber wird meist mit einem gestempelten Zahlenwert angegeben. Die Zahl (zwischen 84 und 180) beziffert dabei die auf 2400 cm2 =24dm² Oberfläche (entspricht etwa der von 12 Gabeln und 12 Löffeln) aufgebrachte Menge Feinsilber in Gramm, wobei Schichtstärken von ca. 34 - 37µm bei 90er, sowie 45µm bei 100er Versilberungen entstehen. Die Buchstabenfolge EP weist auf eine galvanische Versilberung (electroplated) hin, EPNS bedeutet elektroplattiertes Nickelsilber, EPBM elektroplattiertes Britanniametall. Stempelung einer Silbergabel mit 90-g-Versilberung Eine Versilberung ist nur auf weitgehend unelastischen Materialien sinnvoll, weil sich sonst die Verbindung absehbar stellenweise löst und die Silberschicht auf Dauer überall abblättert. Anode Als Anode wird Silber mit einem hohen Reinheitsgrad verwendet. Fe Ag Kathode Anode - e- + Silberelektrolyten Cyanidhaltige Silberelektrolyte Kaliumcyanoargentat Silbercyanid Kaliumcyanid Natriumcyanid e- e- Elektrolyt Silberlösung Kathode Fe Cyanidfreie Silberelektrolyte Thiosulfatokomplexen des Silbers e- Ag Anode + Ag eAg + Ag + Ag + Ag Ag Ag 06. April 2017 www.ibn.ch Kation Version 2 TG 6 45 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Eine Auspuffanlage wurde innert 3,2 Min. bei 60 A verchromt. RE 1.56 0,3105g Wieviel g Chrom wurden ausgeschieden, wenn die Stromausbeute 15 % und das elektrochemische Aequivalent 0,6468 g / Ah betragen? Chrom Dichte 7,14 g/cm3 Chrompulver leicht entzundlich (F) Gesundheitssc hädlich (Xn) Chrom(VI)-oxid Grünes Chrom(III)-chlorid: Im Alkalischen Bad wird das zur Ammoniumsulfidgruppe gehörende dreiwertige, grüne Chrom zum gelben Chromat oxidiert (Redoxreaktion). (Achtung: Chromate und Dichromate sind krebserregend.) 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 46 RE 1.57 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Welche Menge Zinn wird beim Galvanisieren eines Bechers in 36 Minuten bei 0,8 A / dm 2 Stromdichte und 5dm2 Oberfläche ausgeschieden? 4,783g Stromausbeute 90% Elektrochemisches Aequivalent c 2,2142 g / Ah Bei der galvanischen Verzinnung werden die zu verzinnenden Gegenstände nach einer geeigneten Vorbehandlung in einen Zinnelektrolyten eingetaucht. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung scheidet sich an der Oberfläche der Gegenstände ein Zinnüberzug ab. Mit diesem Verfahren lassen sich auch sehr dünne Schichten von wenigen µm realisieren, wodurch der Materialverbrauch entsprechend gering ist. Damit besitzt dieses Verfahren wirtschaftliche Vorteile gegenüber der Feuerverzinnung. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 47 RE 1.58 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie Wie lange dauert das Versilbern eines Werkstückes von 50cm2 Oberfläche, 1,095 Min. 2 wenn bei 1,4 A / dm Stromdichte 51,4 mg Silber ausgeschieden werden sollen? Stromausbeute 100 % Elektrochemisches Aequivalent c 4,024 g / Ah Grundwerkstoffe: Stahl, Edelstahl, Kupfer, Messing, Bronze, Zinkdruckguß, Aluminium Funktionsverbesserung / Eigenschaften: gravierende Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit Minimierung der Abreißfunken bei Lastschaltungen chemische Beständigkeit Gleitschicht im Hochtemperaturbereich bis 850 Grad C geringerer Übergangswiderstand lebensmittelecht gute Lötbarkeit exzellentes Reflexionsvermögen Versilbern in der Elektrotechnik Kontakte für bessere Lötbarkeit Leiter gegen Oxidation Sicherung mit Silberinnenleiter 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 48 RE 1.59 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Elektrochemie 14 kg Schützteile sollen vernickelt werden. Die Gesamtoberfläche ist 2 286,6g 2 450dm , die Stromdichte 0,4 A / dm . Der Prozess dauert 90 Minuten. Die Stromausbeute ist 97% , das elektrochemisches Aequivalent 1,0945g / Ah . Berechnen Sie die ausgeschiedene Nickelmenge! Nickel ist bei Raumtemperatur gegen Luft, Wasser, Salzsäure und Laugen sehr beständig. Verdünnte Säuren greifen Nickel nur sehr langsam an. Folgende Oberflächenveredelungen können für die unterschiedlichsten Stahlgüten als hochwirksamer Korrosionsschutz verwendet werden: Elektrolytisch verzinktes Feinblech ZE Elektrolytisch Zink-Nickel beschichtetes Feinblech ZN Feuerverzinktes Feinblech Z Feuerverzinktes Feinblech ZM EcoProtect Feuerverzinktes Feinblech Galvannealed ZF Zink-Aluminium schmelztauchveredeltes Feinblech GALFAN ZA Feueraluminiertes Feinblech fal AS Dünnfilmbeschichtetes Feinblech Substrat: ZE- oder Z-Feinblech Elektrolytisch raffiniertes 99,9%-iges Nickel als Knolle Kupfer und Nickel 13.2g 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 49 RE 1.1482 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Belastete Spannungsquelle Drei Akkumulatoren mit je 12V Nennspannung und 40 Ah , 60 Ah und 72 Ah Kapazität werden zusammengeschaltet. Eine Schaltungsskizze wird ausdrücklich verlangt! Wie gross ist die Gesamtkapazität, wenn die Akkus: a) b) seriegeschaltet oder parallelgeschaltet werden? 40 Ah 172 Ah Formelsammlung Serieschaltung von Spannungsquellen Formelsammlung Parallelsschaltung von Spannungsquellen 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 50 RE 1.1483 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Mignonzellen 15 Mignonzellen mit einer Leerlaufspannung von je 1,5V und einem Innenwiderstand von je 0,75 sind so geschaltet, dass je fünf seriegeschaltete Zellen parallel geschaltet werden. 7,5V 1,25 Es sind : Mignonbatterie a) die Leerlaufspannung und b) der innere Widerstand der Batterie zu berechnen! Primärzellen Pole IEC Alkali-Mangan1 Zink-Kohle 1 LR6 R6 Lithium-Eisensulfid1 FR6 Nickel-Oxyhydroxid1 ZR6 Sekundärzellen Pole IEC Nickel-Metallhydrid2 HR6 Nickel-Cadmium2 KR6 RAM-Zellen 1 1,5V 2 1,2V 1 RAM Rechargeable Alkaline Manganese Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in andere Müllsammelbehälter oder in die Umwelt, da sie umweltschädliche und wiedergewinnbare Stoffe enthalten. Europa, JIS (International) USA ANSI IEC Duracel UM-3 (AM-3) AA R6 LR6 FR6 ZR6 MN1500 Ø, Länge Abmessung Kapatität [mAh] 4 14,5 x 50,5 400 …3900 1/4AA 5 14,5 x 14,0 1,5 1,21 1/3AA 6 14,5 x 17,0 1,5 1,21 1/2AA 7 14,5 x 25,1 1,5 1,21 2/3AA 8 14,5 x 33,5 1,5 1,21 Visualisierung Spannungen [V] 1,5 1,21 Detailliste siehe Kap. 6.6 Batterien und Akkumulatoren Vergleichstabelle 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 51 RE 1.1484 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Leclanchézellen 6 Leclanchezellen zu 1,5V , 0,3 A , 0,4 sind in allen sinnvollen Schaltungen zusammen zu schalten. a) Wieviele Schaltungen sind möglich? b) Geben Sie die Nenndaten dieser Batterien an! 4 Leclanchézellen Zink-Kohle Zink-Braunstein Das Leclanché-Element ist ein historisches galvanisches Element, das von Georges Leclanché entwickelt und 1866 patentiert wurde. Es stellt eine elektrische Batterie (Primärelement) dar und war in der ursprünglichen Form mit flüssigem Elektrolyt ausgestattet. Es zählt damit zu den heute nicht mehr verwendeten „Nassbatterien“. Verbesserungen führten zu einem gelierten Elektrolyt und es stellt einen Vorläufer der Trockenbatterien wie dem ZinkBraunstein-Element und der AlkaliMangan-Batterie dar. Das Leclanché-Element weist eine Klemmenspannung von 1,5 V auf und besteht aus einer Anode aus Zink, die den negativen Anschluss darstellt, einem Elektrolyt aus Ammoniumchlorid, und einer Kathode aus Graphit, die den positiven Anschluss der Zelle darstellt. Die Kathode ist zum Elektrolyt hin durch Mangandioxid (Braunstein) umgeben, der als Depolarisator wirkt. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 52 RE 1.1485 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Bleiakkumulator Ein 12V -Bleiakkumulator besteht aus 3 parallel geschalteten Teilbatterien, die aus Zellen von 2V , 8 A , 0,003 , 22 Ah bestehen. a) b) c) d) Wieviele Zellen werden benötigt? Wie gross ist der Batterienstrom? Wie gross ist der Innenwiderstand der Batterie? Wie gross ist die Gesamtkapazität? 18 24A 6m 66 Ah Bleiakkumulator Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht. Elektrolyt Verdünnte Schwefelsäure 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 53 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Akkumulatoren-Schaltung Ganze Schaltung: 48V , 6 A RE 1.1486 B + + - A - - + - + C Akku C: 12V , 6 A Akku D: 12V , 2 A 24V 6A 12V 4A - + - + - + D - + Bestimmen Sie die Daten von: a) Akku A und b) Akku B! 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 54 RE 1.1487 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Schaltungen von galvanischen Elementen Technische Daten eines Elementes: 1,5V , 120 mA , 0,59 8 7 96 Die vorhanden galvanischen Element, sind so zusammenzuschalten, dass sich Batterien wie folgt ergeben: a) b) c) 12V , 120 mA 1,5V , 0,8 A 72V , 0,24 A Für jeden Fall sind die notwendigen Elemente und der resulrierende Innenwiderstand zu berechnen und ein vereinfachtes Schaltungsbild zu zeichnen mit den eingetragenen elektrischen Grössen! 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 55 RE 1.1491 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Zink-Chlorid-Batterie Der Kurzschlussstrom eines Zink-Chlorid-Elementes mit einem inneren Widerstand von 0,82 beträgt 3,78 A . 3,1V Berechnen Sie die Leerlaufspannung dieser Zelle! Die genaue Schaltungsskizze ist zu erstellen. Die Zinkchlorid-Batterie ist eine Weiterentwicklung des LeclanchéElements. Im Vergleich zu ihrem Vorgänger ist ihre Herstellung teurer und sie muss stärker gegen Austrocknen geschützt werden. Die Zinkchlorid-Batterie liefert aber eine beständigere Spannung, verfügt über eine potentiell höhere Kapazität [1] und ist relativ auslaufsicher [2], womit die Vorteile in der Summe überwiegen. Anodenreaktion (Oxidation) Zn --> Zn+2 + 2e- Kathodenrealtion (Reduktion von Mangandioxid zu Manganoxidhydroxid) 2MnO2 + 2H2O + 2e- --> 2MnOOH + 2OH- [1] Kapazität Die höhere Kapazität wird durch die Senkung des Innenwiderstandes erreicht. Dies ist durch eine Volumenerhöhung bei Braunsteinpuppe (Mangandioxid) möglich. Weiter sorgen Konstruktionsmerkmale (auf Papier gestrichenes Zinkchlorid) dafür, dass die Selbstentladung nur noch gering ist. Q I t [As] [2] Auslaufsicher Die Tatsache, dass die Reaktion Wasser verbraucht, erhöht die Auslaufsicherheit. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 56 RE 1.1492 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Vorwiderstand Auf welchen Wert ist der Vorwiderstand RV einzustellen? I Ri RV S Ui U1 + - 06. April 2017 www.ibn.ch E 0,45 U2 R E 48V Ri 0,05 U 2 42V I 12 A Version 2 TG 6 57 RE 1.1493 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Stahlakkumulator Ein Stahlakkumulator (NiFe-Akku) besteht aus Zellen von 1,4V Ruhespannung, 6 A Nennstrom und 80 m Innenwiderstand. Die Batterie soll mindestens 52V Leerlaufspannung und 18 A Nennstrom aufweisen. a) b) c) d) 114 26 ,6m 52 ,72V Aus wievielen Zellen besteht der Akku (Skizze)? Wie gross ist der totale Innenwiderstand? Wie gross ist die Akku-Klemmenspannung, wenn der Nennstrom fliesst? Welchen Elektrolyt hat ein Stahlakku? Vergleich Stahlakku mit Bleiakku Bauteile/Eigenschaften Bleiakkumulator Gehäuse Kunststoff z.B. PP Positive Platte Blei mit Bleioxid (PbO2) Negative Platte Blei mit Bleisulfat (PbSO4) Scheider (Plattenisolator) Kunststoff Elektrolyt verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) Elektrolyt Dichte 1,12…1,28 g/cm‘‘‘ Zellenspannung in V 1,9…2,2 dichteabhängig Maximale Ladespannung 2,8 V Ladestrom normal 10 A 10 h Ladestrom schnell 100 A 1 h Ladestrom Erhaltung Gasungsspannung in V 2,4 Ah- Wirkungsgrad 0,85 Ladefaktor 1,2 Wh- Wirkungsgrad 0,72 Spezifische Energie 50 Wh/kg Spezifische Leistung 7,5 W/kg 1) beachten Sie die jeweiligen Ladevorschriften 06. April 2017 www.ibn.ch Stahlakkumaltor Kunststoff oder Stahl Nickelhydroxid [Ni(OH)3] Eisen (Kadmium, giftig) Kunststoff Verdünnte Kalilauge (KOH) 1,17…1,19 g/cm‘‘‘ 1,3…1,5 1,4…1,8 10 A1) 2 x I10 A 1) 1,6…1,7 0,75 1,4 0,56 75 Wh/kg 15 W/kg Akkumulator, kurz Akku (von lat. sammeln) auch Sekundarelement genannt: Kann im Gegensatz zur Batterie immer wieder geladen werden dient als Speicher elektrischer Energie Der Nickel-Eisen-Akkumulator (NiFe-Akku) wurde fast zeitgleich von dem bekannten amerikanischen Erfinder Thomas Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt, der den Nickel-EisenAkkumulator wenig später zu dem auch heute noch verbreiteten Nickel-CadmiumAkkumulator (NiCd-Akku) weiterentwickelte[1]. Erste Patente für den NiFe-Akku wurden schon 1901 erteilt, die Serienreife dagegen erst 1908 erreicht. Version 2 TG 6 58 RE 1.1494 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Batterie-Norstrom Sendeanlage Die 6V -Speisebatterie eines Notsenders mit 20 Ah Ladekapazität hat einen Ladewirkungsgrad ( Ah -) von 0,85 . Wie lange kann gesendet werden, wenn von der zur Verfügung stehenden Kapazität 90% gebraucht werden sollen und die Leistung des Senders 14W bei 5,85V Spannung beträgt? 6,393h Notsender Nach FAS/EASA zugelassener Notsender. Sendefrequenzen: 406 MHz, 243 MHz und 121,5 MHz, eingebauter gekapselter CrashSensor. Antennen für Festeinbau und mobilen Einsatz, Lithiumbatterie mit 5 Jahren Lebensdauer, bis zu 78 Stunden Sendebetrieb. Lieferumfang: Batterie, Kabelbaum, Halterung, Fernbedieneinheit, Antennen. Maße: ca. 14 x 10,5 x 7 cm. Gewicht einschl. Batterie ca. 970 gr. Lieferung erfolgt mit vorprogrammiertem Hexadezimalcode für Registrierung in Deutschland. Landespezifische Registrierung möglich. 878,00 sFr Abkürzungen FAS Federal Aviation Switzerland EASA Europäische Agentur für Flugsicherheit ELT Emergency Locator Transmitter (121,5 MHz Baken-Sender) Bundesamt für Zivielluftfahrt BAZL EPIRB Länder-Code Schweiz in „Hexadezimal“. (Das Hexadezimalsystem ist das Stellenwertsystem mit der Basis16.) Emergency Position Indicating Radio Beacon (406 MHz oder 1,6 GHz Notsender) Stellenwert GPS Global Positioning System (Satellitennavigationssystem) ICAO International Civil Aviation Organization SAR Search and Rescue 269 in HEX = Länder-Code Schweiz in „BCD“. (Digitaluhren und Messwertanzeigen laufen im Innern im BCD-Code. Jede Ziffer besteht aus 4 Bit.) Stellenwert 269 in BCD = Länder-Code Schweiz in „Dual“. (Das Dualsystem ist das Stellenwertsystem mit der Basis 2.) Stellenwert Ländercode 218 269 247 228 203 Deutschland Schweiz Italien Frankreich Östereich Stellenwert als Dezimalwert Binär/Dualzahl Summe: 269 (Im üblichen Dezimalsystem werden die Ziffern 0 bis 9 verwendet.) 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 59 RE 1.1495 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Akku-Anlage 24V Ein 24V-Akkumulator wird während 6 Stunden bei 12 A vollständig entladen. Vorher wurde er mit 5,4 A während 18,1 Stunden geladen. Die mittlere Entladespannung war 22,8 V, die mittlere Ladespannung 30,2 V. 0,736 0,556 72 Ah Berechnen Sie: a) b) c) d) 06. April 2017 www.ibn.ch den Ah-Wirkungsgrad und den Wh-Wirkungsgrad, die Entladekapazität! Wieviele Ah bzw. Wh der Ladung konnten nicht nutzbringend verwendet werden? 25,74 Ah 1310 Wh Version 2 TG 6 TG 6 101 TG 6 102 TG 6 103 TG 6 104 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Frage Wie sieht die Ersatzschaltung einer Batterie aus? Frage Welche Belastunsfälle einer Batterie kennen Sie? Frage Wie lautet das Gesetz von Faraday? Frage Beschreiben Sie den Aufbau einer Batterie anhand des Kohle-Zink-Elementes (Skizze)! 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 TG 6 105 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Frage Geben sind drei in der Grösse verschiedenen Kohle-Zink-Monozellen. a) Wie gross ist die Nennspannung der drei Monozellen? b) Beurteilen Sie die möglichen Nennstromstärken der drei Zellen mit den Worten klein mittel und gross! TG 6 106 TG 6 107 TG 6 108 Frage Ist die Säuredichte eines geladenen oder eines ungeladenen Bleiakkus die grössere? Frage Wie nennt man die Säure in einer Batterie? Frage Wie verhalten sich die Ladungen in einer Batterie: a) bei Serieschaltung? b) bei Parallelschaltung? 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2 TG 6 TG 6 109 TG 6 110 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN Frage Was werden für Elektrolyte verwendet in c) Bleiakkus, d) Nickel-Cadmium-Akkus? Frage Was wird bezüglich der Spannung und des Stromes erreicht mit a) Serieschaltung, b) Parallelschaltung von Spannungsquellen? Schematische Darstellung mit Eintrag aller elektrischen Grössen ist bestandteil der Aufgabe. 06. April 2017 www.ibn.ch Version 2
