Installationsplanung

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
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TG
4
TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN
MECHANIK
http://www.chemieinteraktiv.net/html_flash/ff_zink_kohle_batterie.swf
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Seite
2
Animation der chemischen Reaktion des Kohle-Zink Elements
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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 !
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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!
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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
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TG
6
4
RE
1.1452
TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN
CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN
Kurzschluss Gleichspannungsquelle
Berechnen Sie den Innenwiderstand der Zelle:
0,2162 
I
+
U0
-
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A
RM
U 0  1,58V
I  4,2 A
RM  0,16 
1,5V
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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
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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!
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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
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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
+
-
  0,0175mm2 / m
U0
Bestimmen Sie den Kurzschlussstrom:
a)
b)
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bei Klemmenkurzschluss und
wenn die Klemmen mit einem Cu-Band von 0,12 x6mm und 600 mm
massgebender Länge kurzgeschlossen werden!
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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 ,   0,0175mm2 / m
I
Ri
RL
S
Ui
U1
+
-
U2
R
U0
RL
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10
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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 (   0,0175mm2 / m )!
I
I
RL
Ri
Ri
Ui
Ui
U1
U1
+
-
U0
+
-
U2
U0
RL
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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
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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 1000A und
b) bei 500 lx Beleuchtungsstärke 390 mV Leerlaufspannung und 500A
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)
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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 100C
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 1100C 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.
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TG
6
14
RE
1.1456
TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN
CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN
Solarpanel
Ein Solarpanel wird bei 60C 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
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Maximaler Power Point
Spannung am MPP
I MPP
Strom am MPP
PMPP
Maximale Leistung
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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
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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
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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
+
-
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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
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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
+
-
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2
TG
6
20
RE
1.1474
TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN
CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN REPETITIONEN
Photodioden
Ein Fotodiode gibt bei 392 mV Spannung 53A ab.
Wie gross ist:
7,396k
20,78W
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
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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
-
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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 50A . Es speist einen
Lastwiderstand von 8,2k .
25A
205 mV
31,23A
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 80A 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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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Nennspannung 3V
Selbstentladung 1% pro
Monat
Geräte des
täglichen Bedarfs
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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
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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?
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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!
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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 ?
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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 ?
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13 mA
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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?
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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 ?
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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
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0,45 
U 0  48V
R
UR
Ri  0,05
U R  42V
I  12 A
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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% ?
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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
[%]
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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
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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?
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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
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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
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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
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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
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Kation
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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.)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
+
-
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E
0,45 
U2
R
E  48V
Ri  0,05
U 2  42V
I  12 A
Version
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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
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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.
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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.)
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59
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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)
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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
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TG
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101
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TG
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103
TG
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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)!
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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!
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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?
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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.
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