Wie funktioniert eine Batterie?

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 Zinkelektrode, die in eine Kupfersulfatlösung getaucht sind. Das kann in einem gemeinsamen Becken sein, wenn es eine halbdurchlässige Membran zwischen den beiden Elektroden gibt, oder in zwei getrennten Becken, wenn die Flüssigkeiten über eine Ionenbrücke in Verbindung stehen. Die beiden Elektroden sind außerdem 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 positiv geladene 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 bis diese vollständig mit Ionen bedeckt sind – also eine weitere Anlagerung unmöglich wird.

Man kann ein solches 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:

Spannungsquellen – Zusammenfassung

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.