Spannung und Spannungsquellen
Beschreibung Spannung und Spannungsquellen
Die Spannungsquelle in der Physik
Jeder Stromkreis mit Verbraucher benötigt eine Spannungsquelle. Sie liefert die Spannung, die den Strom antreibt. Eine Spannungsquelle ist per Definition ein elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen, zwischen denen es eine elektrische Spannung gibt. Aus physikalischer Sicht handelt es sich meist um einen Energiewandler, der zum Beispiel chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Es gibt unterschiedliche Schaltzeichen für Spannungsquellen, je nach ihrer Bauart und Funktionsweise.
Aber wie kann man elektrische Spannung erzeugen? Ein wichtiges Beispiel ist die Batterie, die ein galvanisches Element ist.
Galvanisches Element
In einer einfachen Ausführung besteht ein galvanisches Element aus zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen, von denen eines edler als das andere ist. (Was das genau bedeutet, erfährst du in unserem Video zu Metallen und ihrer Affinität zu Sauerstoff.) Sie befinden sich in einem flüssigen Elektrolyt, also einer leitfähigen Flüssigkeit. Wir betrachten ein Beispiel mit einer Kupfer- und einer Zink-Elektrode, die in eine Kupfersulfatlösung getaucht sind. Die beiden Elektroden sind durch einen leitenden Draht miteinander verbunden.
Zink ist unedler als Kupfer. Aus diesem Grund findet an der Zinkelektrode eine Oxidation statt. Das bedeutet, dass positiv geladene Zinkionen in die Elektrolytlösung wandern. Die Elektrode weist daher einen Elektronenüberschuss auf, ist also leicht negativ geladen.
Kupfer ist edler als Zink. Deswegen findet an der Kupferelektrode eine Reduktion statt, es lagern sich positive Ionen aus der Kupfersulfatlösung an der Elektrode ab. Da sie positiv geladen sind, baut sich eine Spannung zwischen den Elektroden auf. Durch den Draht, der die beiden Elektroden verbindet, wandern Elektronen aus der Zinkelektrode zur Kupferelektrode, wo sie von den positiven Ionen aufgenommen werden.
Dieser Prozess kann so lange ablaufen, bis sich alle Ionen aus der Elektrolytflüssigkeit an den Oberflächen der Elektroden angelagert haben, oder diese vollständig mit Ionen bedeckt sind – also eine weitere Anlagerung unmöglich wird.
Man kann so ein galvanisches Element auch mit einem Apfel oder einer Kartoffel aufbauen. Du kannst selbst mit verschiedenen Früchten experimentieren um herauszufinden, welche die höchste Spannung liefert.
Spannungsquellen – Beispiele
In der folgenden Tabelle findest du ein paar Beispiele für Spannungsquellen im Alltag:
| Spannungsquelle | Spannung/ V |
|---|---|
| Batterie | 1,5 bis 9,0 |
| Fahrraddynamo | 6 |
| Smartphone Akku | $\approx$ 4,0 |
| Solarzelle | 0,5 |
| Zitteraal | $\approx$ 800 |
Dieses Video
In diesem Video lernst du die galvanische Zelle als Spannungsquelle kennen. Du erfährst außerdem einige grundlegende Merkmale von Spannungsquellen. Du findest neben Text und Video auch zum Thema elektrische Spannungsquelle Aufgaben und ein Arbeitsblatt.
Transkript Spannung und Spannungsquellen
Hallo, ich bin Georg und heute beschäftigen wir uns einmal mit Spannungsquellen. Und hier ist schon der erste Stolperstein, denn der Begriff der Spannungsquelle steht momentan in der Welt der Physik auf dem Prüfstand und wird demnächst womöglich durch den Begriff „Energiewandler“ ersetzt. Doch in diesem Video werde ich weiterhin den Begriff der Spannungsquelle benutzen. Wir schauen uns also zunächst einmal die Bedeutung einer Spannungsquelle im Stromkreis an. Danach wollen wir einmal ins Innere solch einer Spannungsquelle blicken und uns die Prozesse anschauen, die dann stattfinden, und bauen diese mit einfachen Mitteln nach. Zum Schluss betrachten wir noch einmal eine besondere Spannungsquelle, nämlich einen Akkumulator. In der Technik gibt es verschiedene Arten von Spannungsquellen. Ein ganz einfacher Vertreter ist die herkömmliche Batterie. Sie liefert Spannungen zwischen 1,5 und neun Volt. Auch ein Fahrraddynamo oder eine Solarzelle kann eine Spannungsquelle darstellen. Dabei fungiert hier die Spannungsquelle immer als eine Art Antrieb für den elektrischen Strom. Dieser elektrische Strom kann nun Arbeit an einem Verbraucher verrichten. Die Spannung, die du zum Beispiel auf einer Batterie ablesen kannst, entspricht dabei immer der Spannungs- oder auch Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen. Je größer diese Potentialdifferenz bzw. die elektrische Spannung ist, umso stärker ist der Antrieb. Übrigens wird der Verbraucher neuerdings ebenfalls als Energiewandler bezeichnet, da er die Energie aus dem Stromkreis in Licht und Wärme oder andere Energieformen umwandelt. Spannungsquellen gibt es aber auch in der Natur. Ein Zitteraal, zum Beispiel, erzeugt eine Spannung von 800 Volt und mehr. Als nächstes schauen wir uns mal den inneren Aufbau einer Batterie an. Eine Batterie besteht im wesentlichen aus einem oder mehreren galvanischen Elementen, die nach seinem Erfinder Luigi Galvani benannt sind. Ein einzelnes galvanisches Element besteht aus zwei verschiedenen Metallen und einer Elektrolytlösung, in die beide Metalle eingetaucht sind. Elektrolytlösungen, das können Salzlösungen, wässrige Säuren oder Laugen sein. Ihre besondere Eigenschaft besteht darin, dass sie den elektrischen Strom leiten. Während in Batterien hochgiftige Stoffe und starke Säuren benutzt werden, wollen wir solch ein galvanisches Element mit einer ungefährlicheren Salzlösung nachbauen. Als Beispiel habe ich hier ein Glas mit destilliertem Wasser. Es leitet den Strom nicht. Füge ich jetzt etwas Salz hinzu, so erhalte ich eine Salzlösung, die den Strom leitet. Jetzt nehmen wir die Stromquelle weg und ersetzen das Salzwasser durch eine Kupfersulfatlösung. In diese Lösung tauchen wir die zwei Metalle Zink und Kupfer ein. An beiden Seiten findet nun eine chemische Reaktion statt. Dabei ist Zink gegenüber dem Kupfer ein unedleres Metall, an dem folglich eine Oxidation stattfindet. Bei der Oxidation gehen die Zinkionen in die Lösung über und in der Zinkelektrode entsteht ein Elektronenüberschuss. Am edleren Metall Kupfer findet eine Reduktion statt, bei der sich die positiven Ionen aus der Lösung an der Kupferelektrode ablagern. Für die Reduktion werden jedoch Elektronen benötigt. Diese notwendigen Elektronen wandern von der Zinkelektrode über einen Draht zur Kupferelektrode. Und warum haben wir dies nicht auch mit normalem Salzwasser gemacht? Sowohl das Salzwasser als auch die Kupfersulfatlösung fungieren als Elektrolytflüssigkeit, aber beim Salzwasser entstehen hochgefährliche, geruchlose Gase aufgrund der chemischen Reaktion an den Elektroden. Das solltest du also auf keinen Fall zu Hause nachmachen. Diesen Stromfluss zwischen den beiden Stäben können wir nun mit einem Amperemeter messen, benannt nach dem französischen Physiker und Mathematiker André-Marie Ampère. Und auch die Spannung können wir mit einem Voltmeter messen, welches nach Alessandro Volta benannt ist. Dabei ist die Spannung unabhängig von der Elektrolytflüssigkeit. Statt einer Salzlösung kann ich nun auch eine leichte Säure nehmen, einen Apfel zum Beispiel, oder hier eine Kartoffel. Auch hier können wir ein galvanisches Element aufbauen. Natürlich ist die Lebensdauer so eines galvanischen Elements begrenzt. Der Strom fließt nur so lange, bis alle Ionen in der Lösung verbraucht sind oder bis sich um das Kupfer so viele Zinkionen angelagert haben, dass keine Kupferionen mehr in Kontakt mit der Kupferelektrode kommen. Dadurch wird die Spannungsdifferenz null und ohne eine Spannung fließt kein Strom mehr. Die Batterie, oder das galvanische Element, sind, in Worten der Alltagssprache ausgedrückt, leer. Ein besonderes galvanisches Element ist ein sogenannter Akkumulator, oder kurz: Akku. Wenn ein Akku leer ist, kann er durch das Anlegen einer äußeren Spannung wieder aufgeladen werden. Die von außen angelegte Spannung kehrt dabei den chemischen Prozess im galvanischen Element an den Elektroden um. Dafür benötigt man jedoch spezielle Metalle und Elektrolytflüssigkeit. Damit sage ich Tschüss und bis zum nächsten Mal.
Spannung und Spannungsquellen Übung
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Nenne Beispiele für Spannungsquellen.
TippsEnergiewandler können in Spannungsquellen und Verbraucher unterteilt werden.
LösungDie schon seit langer Zeit geläufigen Begriffe Spannungsquelle und Verbraucher sind in ihrem eigentlichen Wortsinn nicht ganz zutreffend. Sie werden deshalb angezweifelt. Das liegt darin begründet, dass in einer Spannungsquelle nicht etwa, wie das Wort nahelegt, Energie erzeugt wird. Auch ein Verbraucher wie zum Beispiel eine Glühlampe verbraucht keine Energie. Man spricht daher auch in beiden Fällen von Energiewandlern. So wandelt der Dynamo, eine Spannungsquelle, mechanische Energie (die Rotationsenergie des Rades) in elektrische Energie um. Diese elektrische Energie kann wiederum in der Glühlampe, dem Verbraucher, in Licht- und Wärmeenergie umgewandelt werden.
Für den Menschen ist elektrische Energie die praktischste Energieform, da sie gut über Kabel und Hochspannungsleitungen transportiert werden kann. Sie kann außerdem in kleineren Mengen gut in Batterien, Akkumulatoren oder Kondensatoren gespeichert werden. Windkraftanlagen, Solarzellen, Wasserkraftwerke usw. wandeln Energie daher stets in elektrische Energie um und nehmen hierfür sogar Energieverluste in Kauf. Wenn man von Energieverbrauch spricht, kann daher auch oft der Verbrauch wertvoller elektrischer Energie gemeint sein, wenngleich es sich immer um eine Umwandlung in Energieformen handelt, die sich nicht so gut speichern oder transportieren lassen.
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Nenne typische Werte der Spannung für verschiedene Spannungsquellen.
TippsEs gibt sehr verschiedene Bautypen für Batterien. Damit können auch sehr verschiedene Spannungen erzeugt werden.
LösungEs gibt sehr verschiedene Bautypen für Batterien. Damit können auch sehr verschiedene Spannungen erzeugt werden.
Auch bei einem Fahrraddynamo hängt die Spannung von der Drehzahl des Dynamos und damit von der Fahrgeschwindigkeit ab. Du kannst das daran erkennen, dass die Fahrradlampe bei geringer Geschwindigkeit schwächer leuchtet als bei hoher Geschwindigkeit. Bei zu hohen Geschwindigkeiten kann es sogar passieren, dass die Glühlampe durchbrennt, da ihre Betriebsspannung von dem Dynamo deutlich übertroffen wird.
Solarzellen liefern vergleichsweise geringe Spannungen. Wenn man aber zum Beispiel mehrere Solarzellen in Reihe hintereinander schaltet, dann können auch mit ihnen höhere Spannungswerte erreicht werden.
Bei der Steckdose handelt es sich streng genommen nicht um eine Spannungsquelle, denn sie ist nicht der Ort, an dem Energie umgewandelt wird. Sie kann als das Ende eines langen Kabels verstanden werden, das von der eigentlichen Spannungsquelle wie zum Beispiel einer Windkraftanlage in einem Windpark in der Nordsee kommt. Der Ort der Energieumwandlung wäre dann bei diesem Beispiel der Generator der Windkraftanlage. Da die Steckdose aber eine Spannung und damit elektrische Energie im Haushalt bereitstellt, spricht man auch hier häufig von einer Spannungsquelle.
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Ermittle die am Voltmeter zu erwartende Spannung der Volta'schen Säule.
TippsDie Abbildung zeigt, dass bei der Voltaschen Säule mehrere galvanische Elemente übereinander gestapelt und damit in Reihe geschaltet sind.
Bei einer Reihenschaltung gilt: $U_{ges}=U_1+U_2+U_3+...$.
LösungDie Abbildung stellt die chemischen Prozesse in einer galvanischen Zelle der Voltaschen Säule dar. Zink ist unedler als Kupfer. Es gehen daher Zinkionen in die Lösung. Für jedes Zinkion, das in die Lösung geht, verbleiben zwei Elektronen an der Elektrode. An der Zinkelektrode herrscht ein Elektronenüberschuss. Sie stellt daher den negativen Pol der galvanischen Zelle dar. An der Kupferelektrode lagern sich Kupferionen aus der Elektrolytlösung an und nehmen hierbei zwei Elektronen auf. An der Kupferelektrode herrscht ein Elektronenmangel. Sie stellt daher den positiven Pol dar.
Bei der Voltaschen Säule sind viele dieser galvanischen Elemente übereinander gestapelt und somit in Reihe geschaltet. Für die Spannung in einer Reihenschaltung gilt:
$U_{ges}=U_1+U_2+U_3+...$.
Die dargestellte Voltasche Säule besteht aus neun galvanischen Elementen, von denen eine eine Spannung von 1,1 V erzeugt. Für die Spannung der Säule ergibt sich damit:
$U=9\cdot 1,1\,V=9,9\,V$.
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Bestimme die Spannungen der galvanischen Zellen.
TippsEine Galvanisches Zelle aus Silber und Chrom würde eine Spannung von 1,56 V erzeugen.
LösungDie elektrochemische Spannungsreihe zeigt die Potentialdifferenzen, die ein Galvanisches Element mit dem jeweiligen Stoff und Wasserstoff erzeugen würde. Um die Spannung einer beliebigen Kombination herauszufinden, müssen die Differenzen gebildet werden. Für das Beispiel einer Kupfer-Zink-Zelle bedeutet dies: $0,35\,V-(-0,76\,V)=1,11\,V.$
Hier sind nochmal die Spannungen, die die in der Aufgabe genannten Zellen erzeugen würden:
Silber-Eisen: 0,82 V
Kupfer-Blei: 0,48 V
Eisen-Blei: 0,11 V
Zink-Chrom: 0,02 V.
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Nenne die Unterschiede zwischen Akkumulator und Batterie.
TippsBatterien und Akkumulatoren sind in ihrem Aufbau sehr ähnlich. Der Akkumulator zeichnet sich aber durch die Umkehrbarkeit der chemischen Prozesse aus. Man sagt auch: Die Prozesse sind reversibel.
LösungSowohl die Batterie als auch der Akkumulator sind galvanische Elemente. Der Akkumulator unterscheidet sich von der Batterie dahingehend, dass sich die chemischen Prozesse durch das Anlegen einer äußeren Spannung umkehren lassen. Er kann dadurch, wenn er leer ist, wieder aufgeladen werden.
Ein galvanisches Element kann aus zwei Gründen leer sein. Zum einen können die Ionen in der Elektrolytflüssigkeit verbraucht sein, zum anderen können sich um eine der Elektroden so viele Ionen angelagert haben, dass das Elektrodenmetall keinen Kontakt mehr zu der Elektrolytflüssigkeit hat.
Die Energiespeicherkapazität von Akkumulatoren verschlechtert sich mit der Zeit. Vielleicht kennst du dieses Phänomen von einem Handy oder auch einem Laptop. Die Ursachen für die Verschlechterung der Kapazität hängen stark davon ab, welche Materialien in dem Akkumulator verwendet wurden. Sie ist aber in der Regel durch die Bildung von kleinen Kristallen, der Zersetzung (Korrosion) der Elektroden oder mit anderen unerwünschten chemischen Reaktionen zu begründen.
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Beschreibe mit Hilfe der Grafik den Prozess der Galvanisierung.
TippsDas Kupfer löst sich als Ionen in der Elektrolytlösung und gelangt so zu dem Werkstück.
LösungBei der Galvanisierung laufen sehr ähnliche Prozesse wie in einer Batterie beziehungsweise in einer galvanischen Zelle ab. Durch das Anlegen einer äußeren Spannung können bei der Galvanisierung die Ionen in eine bestimmte Richtung gezwungen werden, da nicht mehr entscheidend ist, welches der beiden Metalle das edlere ist: Welche Elektrode Plus- und welche Minuspol ist, wird durch das Anlegen der äußeren Spannung entschieden.
Eine Voraussetzung für das Funktionieren der Galvanisierung ist, dass beide Elektroden, also auch das Werkstück, leitend sind. Kunststoffe leiten elektrischen Strom nicht oder nur sehr schlecht. Sie haben als Werkstücke aber viele Vorteile wie zum Beispiel die gute Formbarkeit, das geringe Gewicht und geringe Kosten. Eine dünne Beschichtung aus Metall ist deshalb auch hier erstrebenswert. Werkstücke aus Plastik kann man wegen ihrer Hitzeempfindlichkeit aber nicht in flüssiges Kupfer oder Chrom tauchen, weswegen die kalte Galvanisierung auch hier eine Lösung bietet. Das Werkstoff aus Kunststoff wird hierfür mit einer dünnen Schicht eines leitenden Stoffes bemalt oder besprüht und kann folglich als Elektrode verwendet und somit galvanisiert werden. Es können so sehr leichte, günstige, leitende und kratzfeste Werkstücke erzeugt werden, die zum Beispiel in der Automobilindustrie sehr verbreitet sind.
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2 Kommentare
Die Experimente und die Bilder sind cool, ich hab ganz viel von diesem Video gelernt, danke
Super erklärt, gut gestaltet, angenehm gesprochen!