Spannung und Spannungsquellen

Spannung und Spannungsquellen Übung

• Nenne Beispiele für Spannungsquellen.

  Tipps

  Energiewandler können in Spannungsquellen und Verbraucher unterteilt werden.

  Lösung

  Die 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.

• Nenne typische Werte der Spannung für verschiedene Spannungsquellen.

  Tipps

  Es gibt sehr verschiedene Bautypen für Batterien. Damit können auch sehr verschiedene Spannungen erzeugt werden.

  Lösung

  Es 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.

• Ermittle die am Voltmeter zu erwartende Spannung der Volta'schen Säule.

  Tipps

  Die Abbildung zeigt, dass bei der Voltaschen Säule mehrere galvanische Elemente übereinander gestapelt und damit in Reihe geschaltet sind.

  Bei einer Reihenschaltung gilt: $U_{ges}=U_1+U_2+U_3+...$.

  Lösung

  Die 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:

  $U=9\cdot 1,1\,V=9,9\,V$.

• Bestimme die Spannungen der galvanischen Zellen.

  Tipps

  Eine Galvanisches Zelle aus Silber und Chrom würde eine Spannung von 1,56 V erzeugen.

  Lösung

  Die 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.

• Nenne die Unterschiede zwischen Akkumulator und Batterie.

  Tipps

  Batterien 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.

  Lösung

  Sowohl 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.

• Beschreibe mit Hilfe der Grafik den Prozess der Galvanisierung.

  Tipps

  Das Kupfer löst sich als Ionen in der Elektrolytlösung und gelangt so zu dem Werkstück.

  Lösung

  Bei 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.