Gromperebatterie (D)

1. Einleitung

Strom kann man eigentlich nur an seiner Wirkung erkennen :

Licht
Wärme
Magnetismus
chemische Wirkung

Um den Strom zu erklären (dies war lange Zeit nicht möglich), müssen wir uns den Atomaufbau ansehen.

1.1 Elektronen und Protonen

Alle Fragen nach dem Wesen der Elektrizität führen zu den Bausteinen der Elemente, zu den Atomen. Atome sind nicht sichtbar. Sie sind in ihrer Ausdehnung so klein, daß wir sie nur modellhaft beschreiben können. Die Abbildung zeigt das Bohrsche Modell des Wasserstoffatoms, des einfachsten Atoms, das wir kennen. Das Wasserstoffatom besteht aus einem Proton und, auf der Elektronenhülle, einem Elektron. Das Elektron besitzt die kleinste bekannte negative elektrische Ladung. Die elektrische Ladung des Protons ist dieser Ladung des Elektrons gleich groß. Die Ladung des Protons ist jedoch positiv.

Das bohrsche Modell des Wasserstoffatoms

Elektrische Kräfte halten das Elektron auf seiner Bahn. Die Umlaufgeschwindigkeit des Elektrons liegt bei 2000 km/sec. Die auftretende Fliehkraft wird durch die elektrische Kraft aufgehoben. Die Massenanziehungskraft zwischen Kern und Elektron ist so klein, daß sie vernachlässigt werden kann. Die positive Ladung des Protons und die negative Ladung des Elektrons sind Ursache für die anziehenden elektrischen Kräfte. Gleichnamige elektrische Ladungen wirken jedoch abstoßend aufeinander (Zwei positive Ladungen stoßen sich also ab, ebenso zwei negative Ladungen).

1.2 Stromstärke

Je mehr Elektronen pro Sekunde durch den Draht fließen, um so stärker ist der elektrische Strom. Die Stromstärke wird in Ampere angegeben. Fließt in einem Stromkreis ein Strom von 1 Ampere, so bewegen sich pro Sekunde 6,25 Trillionen Elektronen durch den Drahtquerschnitt. Eine ungeheure Zahl !!!!!!!!

1.3 Spannung

Für alle elektrischen Energiequellen wird eine (Nenn-)Spannung angegeben. Bei Geräten und Bauteilen ist eine Betriebsspannung angegeben. Wenn eine elektrische Energiequelle keine Spannung hat, kann sie keinen Stromfluß bewirken. Wenn an einem Gerät oder Bauteil nicht die volle Betriebsspannung anliegt arbeitet es nicht bei voller Leistung.

Spannung ist :

die Voltzahl auf einer Batterie ;
das, was man mit dem Voltmeter mißt ;
die Kraft, die Elektronen im Leiter bewegt ;
Potentialdifferenz ;
…

Die quantitative Kennzeichnung der Spannung (U) erfolgt durch das Produkt U = R * I, wobei R der elektrische Widerstand des Messstromkreises bzw. des Messgerätes und I die Stromstärke ist. Die Spannung ist auf diese Weise als abgeleitete Größe definiert. Bei einer doppelt so großen Spannung wird auch doppelt so viel Energie transportiert.

1.4 Der Stromkreis

Stromkreise dienen dem Transport von elektrischer Energie. Dies geschieht dadurch, das eine elektrische Energiequelle einen geschlossenen Materiefluss aus Elektronen antreibt. Das Elektrogerät oder das Bauteil behindert diesen Elektronenfluß (in einer genaueren Betrachtung spricht man natürlich dann vom Ladungsfluß). Als Folge von Antrieb und Behinderung fließt der Strom mit einer bestimmten Stromstärke I. Dabei wird von dem geschlossenen Materiefluß Energie von der elektrischen Energiequelle zum Elektrogerät (oder Bauteil) transportiert.

1.3 Die Batterie

In einer Batterie wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dabei wandeln sich chemische Stoffe in andere Stoffe um und Elektronen fließen von einem Metallstab durch das Verbindungskabel und das elektrische Gerät zum anderen Metallstab.

Bei einem Akku kann diese Stoffumwandlung wieder rückgängig gemacht werden, d.h. man kann den Akku wieder aufladen.

2. Selbstgebaute Batterie

Eine Batterie selbst zu bauen ist gar nicht schwer !!!!!

2.1 Benötigtes Material

Meßgerät, Ohrhörer (z. B. vom Walkman)

Apfel, rohe Kartoffel oder Zitrone

Verschiedene Metalle: Nägel, Büroklammer, Schrauben, Münzen, Aluminiumfolie,..

2.2 Durchführung

Stecke verschiedene Nägel, Schrauben und Münzen in eine Kartoffel. Dann messe mit dem Meßgerät die Spannung zwischen zwei Metallen. Du kannst auch einen Ohrhörer nehmen und zwei Metalle mit den beiden Polen des Steckers berühren. Kombiniere unterschiedliche und gleiche Metallsorten.

Nach dem Versuch ist die Frucht nicht mehr zum Verzehr geeignet. Sie enthält Metall-Ionen !!!!!!!

2.3 Beobachtung

Mit dem Meßgerät kannst du verschiedene Spannungen zwischen den unterschiedlichen Metallen feststellen. Wenn du die Kopfhöhrer benutzt kannst du bei der Berührung unterschiedlicher Metallsorten ein Knacken im Ohrhörer höhren. Bei einigen Metallkombinationen sogar ein sehr lautes. Die Kombination gleicher Metallsorten ruft kein Knacken im Ohrhörer hervor.

Die angezeigt Spannung auf dem Meßgerät und die Geräusche im Ohrhörer weisen darauf hin, daß elektrischer Strom zwischen den jeweiligen Metallen fließt. Dies ist aber nur bei unterschiedlich edlen Metallen der Fall.

2.4 Erklärung

Wenn zwei verschiedene Metalle in die Lösung eines Elektrolyten (z.B. Zitronensäure) gebracht werden, löst sich das “unedlere” Metall auf. Seine Atome gehen als positive Ionen in die Lösung. Der Draht selbst wird von den zurück bleibenden Elektronen negativ geladen.

Dem “edleren” Metall werden durch die Lösung Elektronen entzogen; es wird daher positiv. Werden die Drähte außerhalb des Gerätes (Zitrone) leitend verbunden, so können sich die Ladungen ausgleichen. Es fließt Strom, der in diesem Fall das Einschaltknacken im Kopfhörer verursacht. Edlere Metalle bilden in galvanischen Elementen stets den + Pol, unedlere den – Pol.

Beispiel : Zitronenbatterie (Zinkelektrode – Kupferelektrode)

Die verschiedenen Metalle dienen als sogenannte Elektroden, das heißt als Plus- und Minuspol. Verbindet man die beiden miteinander, wird im Inneren der sauren Frucht ein chemischer Prozess in Gang gesetzt: Weil Zinkatome ihre Elektronen weniger fest an sich binden als Kupferatome, gibt der Zink Elektronen an das Kupfer ab. Und dieser Elektronenfluss ist nichts anderes als Strom. Das Geheimnis der Zitronenbatterie: Der Zitronensaft mit seiner Säure wirkt als Elektrolyt (so heißen Flüssigkeiten, die Strom leiten können). Die Säure wirkt in unserem Experiment wie ein “Treibstoff”; sobald sie verbraucht ist, fließt in der Frucht nichts mehr…

Der schwach saure Zitronensaft und die Zinkelektrode bilden ein sogenanntes galvanisches Element, dessen Zellreaktionen wie folgt beschrieben werden:

An der Zinkelektrode entstehen Zinkionen (Zn2+), so dass sich das Metall langsam auflôst (Korrosion). Die Kupferelektrode dient lediglich der Sammlung von Elektronen, an ihr entsteht Wasserstoff (H2)

Ordnet man die verschiedenen Metalle so in einer Folge an, daß jedes folgende gegenüber dem vorher gehenden positiv wird, so erhält man die elektrochemische Spannungsreihe. Die elktrochemische Spannungsreihe hat in der Technik eine große Bedeutung: z.B. galvanische Elemente (Batterien), elektrochemische Korrosion, usw. Ein gutes Beispiel stammt aus der Schiffstechnik. Schiffsschrauben bestehen häufig aus Sondermessing. Um das gegen Messing unedlere Eisen des Schiffsrumpfes zu schützen, bringt man am Rumpf Zinkplatten an. Diese bilden den negativen Pol, werden mit der Zeit zerfressen und schützen so das Eisen. Durch langsames auflôsen des unedelen Metalls un Elektronenübertragung auf das Eisen wird die Oxidation des Eisens solange unterbunden, bis sich das unedle Metall vollständig aufgelöst hat.

3. Internet Links

Experimental Chemie (Deutschland)

Chimie, Experimenter |