Netzgeräte sind aus dem Alltag vertraut (81.1). In ihnen wird die Wechselspannung des Stromnetzes von 230 V für elektronische Geräte aufbereitet (siehe Physik 7), die meist mit Spannungen von 3 V bis 20 V arbeiten und oft Gleichspannung benötigen. Elektrizität aus chemischen Reaktionen Der italienische Mediziner Luigi Galvani (1737–1798) aus Bologna entdeckte 1789 durch Zufall das Grundprinzip der nach ihm benannten Galvanischen Zelle, die elektrische Spannungen auf chemischem Weg erzeugt: In der galvanischen Zelle befinden sich zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen (z. B. Kupfer und Zink) in einem flüssigen Elektrolyten. Die unterschiedlich starke Tendenz der Metalle, sich als Ionen im Elektrolyten zu lösen, führt zu einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden (81.2). Die Weiterentwicklung führte zu zwei Klassen von Batterien: Primärbatterien können nach der Entladung nicht wieder aufgeladen werden. Sekundärbatterien (Akkumulatoren) können immer wieder aufgeladen werden. 81.1 Netzgerät eines Laptops Spannungsreihe der Metalle Metall positives Metallion Spannung (in V) zu H 2, 25 °C Li Li + −3,01 K K + −2,92 Ca Ca 2+ −2,84 Na Na + −2,71 Mg Mg 2+ −2,38 Al Al 3+ −2,34 Mn Mn 2+ −1,05 Zn Zn 2+ −0,76 Fe Fe 2+ −0,44 Cd Cd 2+ −0,40 Co Co 2+ −0,28 Ni Ni 2+ −0,23 Sn Sn 2+ −0,14 Pb Pb 2+ −0,13 H 2 2H + 0,000 Cu Cu 2+ +0,34 Ag Ag + +0,80 Hg Hg 2+ +0,80 Au Au 2+ +1,36 Pt Pt 2+ +1,60 81.2 Spannungsreihe der Metalle. Die „unedlen“ Metalle (Li, K, …) geben lieber Elektronen ab, die „edlen“ (Platin, Gold, …) nehmen sie lieber auf als die dazwischen liegenden Metalle. Die Alkali-Mangan-Zelle Für eine Vielzahl elektrischer Kleingeräte dient im Alltag heute die nicht wieder aufladbare Alkali-Mangan-Zelle als Spannungsquelle. Die Zelle enthält zwei Elektroden, eine aus Zink, die andere aus Mangandioxid (MnO 2). Zwischen den beiden Elektroden befindet sich Kalilauge K(OH) in wässriger Lösung als Elektrolyt, der negative (OH)-Ionen zur Verfügung stellt (81.3). Reaktionen an den Elektroden: Zn + 2 OH− ZnO + H 2O+2e − Aus Zink entsteht unter Mitwirkung von (OH)-Ionen Zinkoxid ZnO. Dabei werden pro Zinkatom zwei Elektronen frei. Zink stellt daher die negativ geladene Elektrode der Zelle dar. Über den Ableitnagel stehen Elektronen am Minuspol (negativ geladene Elektrode am Boden der Zelle) zur Verfügung. MnO 2 + H 2O + e − MnO(OH) + OH− Die positive Elektrode besteht aus Mangandioxid. MnO2 wandelt sich bei Vorhandensein von H2O und einem freien Elektron in MnO(OH) um. Normalerweise besteht an der positiven Elektrode ein Mangel an Elektronen, die chemische Reaktion kann nicht ablaufen. Verbindet man die beiden Elektroden durch einen Draht, dann können Elektronen von der negativen Elektrode zur positiven fließen. Der Stromkreis wird vollständig, indem (OH)-Ionen zur Zn-Elektrode wandern. Sie passieren dabei eine Papierfolie, welche die beiden Elektroden voneinander trennt. Sinnvollerweise wird man in diesen Stromkreis auch noch einen „Verbraucher“, z. B. das Lämpchen einer Taschenlampe, einbauen, sonst hätte man einen Kurzschluss und die Batterie wäre bald „leer“. Leer ist die Zelle dann, wenn das Wasser verbraucht ist und dadurch die chemische Reaktion aufhört. Die Spannung der Mn-Zn-Zelle beträgt ca. 1,5 V und nimmt im Lauf des Gebrauchs ab, bis die Zelle bei etwa 0,8 V nutzlos wird. Die Spannung wird vervielfacht, indem mehrere Zellen hintereinander (in Serie, siehe S. 95) geschaltet werden – es wird also stets der Pluspol einer Zelle mit dem Minuspol der nächsten Zelle verbunden. Richtige Entsorgung von Batterien Batterien enthalten verschiedenste Stoffe, die nicht in die Umwelt gelangen sollten. Für eine richtige Entsorgung ist es wichtig, die Batterien nicht im Haushaltsmüll zu entsorgen. Für die richtige Entsorgung findest du z. B. in Supermärkten oft kleine Sammel-Boxen, in denen die Batterien für spezielle Recycling-Firmen gesammelt werden. Auch in den Altstoffsammelzentren der Gemeinden kannst du deine alten Batterien sicher entsorgen. 81.3 Alkali-Mangan-Zelle mit Zink als negativer Elektrode und Mangandioxid als positiver Elektrode. Der Elektrolyt ist Kalilauge K(OH). Die Spannung dieser Zelle beträgt 1,5 V. Metallbecher (Plus-Pol) Folie (Isolierung und Beschriftung) Kunststoffscheibe mit Dichtungsnut Metallplatte (Minus-Pol) Berstmembran (Überdruckventil) Zinkpulver-Gel (Anode) Mangandioxid (Kathode) Ableitnagel (Kollektor) Trennfolie (Separator) 81 E-Lehre 1 Ladung und Spannung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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