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Metallkappe (+) Zink- Kohlestab Zinkionen Zinkbecher...

Metallkappe (+) Zink- Kohlestab Zinkionen Zinkbecher Elektrolyt Kupferionen Mangandioxid Metallboden (- »1 Voltaelement »2 lonenverteilung im Voltaelement »3 Aufbau einer Zink-Kohle-Batterie Voltaelement Galvanische Elemente Neben Solarzellen gibt es noch weitere elektri- Eine Spannung kann auf diese Weise auch mit sche Quellen, die Gleichstrom liefern: Die wich- anderen Metallen und anderen leitfähigen Flüs- tigsten sind die Zink-Kohle-Batterie und der sigkeiten bereitgestellt werden. Im Allgemei- Lithium-Ionen-Akku. Das Grundprinzip dieser nen spricht man von galvanischen Elementen. elektrischen Quellen wurde von ALESSANDRO Einzelne Batterietypen unterscheiden sich im VOLTA (1745-1827) entdeckt. Er legte eine Zink- Wesentlichen durch die Metalle, die für die platte auf eine Kupferplatte. Zwischen den Elektroden verwendet werden, und durch den beiden Platten befand sich eine in Salzwasser verwendeten Elektrolyten. Aus der jeweiligen getränkte Filzscheibe. In dieser Kombination Kombination ergibt sich die maximale Span- konnte man eine Spannung zwischen den Plat- nung und die verfügbare Ladung der Zelle. ten messen. Die Zinkplatte löste sich jedoch all- mählich auf. Dieser Aufbau wird Voltaelement Zwischen zwei unterschiedlichen Metallen genannt (»]). entsteht eine Spannung, wenn man beide in eine leitfähige Flüssigkeit einbringt. Beim Kontakt mit dem Kupfer und der Salzlö- sung werden durch chemische Reaktionen die Atome der Zinkplatte in positiv geladene Zink- Der Zinkbecher einer Zink-Kohle-Batterie (»3) Ionen und Elektronen zerlegt. Die Zink-Ionen bildet als Hülle der Batterie die Elektrode,diesich wandern in die Salzlösung, die Elektronen blei- im Elektrolyten auflöst. Die zweite Elektrode ben dabei in der Zinkplatte zurück. In der Zink- wird von Mangandioxid gebildet, in dem für platte sammeln sich demnach Elektronen an, eine bessere Leitfähigkeit der Kohlestab steckt. Zink-Kohle-Batterien sodass an der Zinkplatte ein Elektronenüber- Ist der Zinkbecher vollständig aufgelöst oder auf keinen Fall wieder schuss entsteht. Diese ungleiche Verteilung der kann das Mangandioxid keine Elektronen mehr aufladen! Elektronen führt zu einer Spannung zwischen aufnehmen, dann ist die Batterie leer. Diese den beiden Metallplatten (» 2). Bauart von Batterien ist nicht wiederaufladbar, dasich das Zink nicht wieder regenerieren kann. Die verwendeten Platten bezeichnet man als Elektroden, die leitende Flüssigkeit als Elektro- Eine einzelne Zelle einer Zink-Kohle-Batterie lie- lyt. Verbindet man die Elektroden miteinander, fert maximal eine Spannung von 1,5V. Benötigt dannfließen die überschüssigen Elektronen von man größere Spannungen, muss man mehrere der Zinkplatte zur Kupferplatte. Ein einzelnes Zellen in Reihe schalten. Eine Flachbatterie, die Voltaelement liefert maximal eine Spannung eine Spannung von 4,5V liefert, besteht aus drei von einem Volt. in Reihe geschalteten Einzelzellen zu je 1,5V. Aluminium- ? r m Kupfer- elektrode 00 2 | — ee Lithium-Ion A Le schicht nn 21257 nt 000 | (Oxid-Ion S 0 Elektrol O1 oo [Elektrolyt jooo | u — Aufladen Ppluspolaus Minuspol — Entladen Lithiumoxid aus Graphit » 4 Chemische Prozesse in einem Akku »5 Netzgerät Akkumulatoren Netzgeräte Die chemischen Prozesse beim Entladen einer Im Alltag nutzt man vor allem den Strom aus der Batterie führen zu deren Zerstörung. In einem Steckdose. Sie liefert im Gegensatz zu Batterien Akku sind die ablaufenden Prozesse hingegen und Akkus eine Wechselspannung, mit der die teilweise umkehrbar, da Minus- und Pluspol des Geräte betrieben werden. Akkus ortsfest sind. In einem Lithium-Ionen- Akku können sich z.B.nur die Lithium-Ionen frei Im Physikunterricht verwendet man häufig im Elektrolyten bewegen. Die Struktur der Pole Netzgeräte (»5). Sie können je nach Bedarf so- bleibt dabei unverändert (» 4). wohl eine Gleichspannung als auch eine Wech- Zum Laden des Akkus legt man eine externe selspannung bereitstellen. Das Netzgerät be- Spannungsquelle so an die Kupfer- und Alumi- zieht den Strom aus der Steckdose. Dieser niumleiter des Akkus an, dass jeweils die beiden Strom wird dann im Netzgerät durch eine Kom- Minuspole und die beiden Pluspole miteinander bination elektrischer Bauteile in Gleichstrom verbunden sind. Dadurch wandern die Lithium- verwandelt. Bei vielen Geräten kann auch die Ionen vom Plus- zum Minuspol. ausgegebene Spannung reguliert werden. Beim Betrieb des Akkus wandern die Lithium- Ionen wieder zurück an ihre Plätze am Pluspol. Gleichzeitig fließen außerhalb des Akkus Elekt- RE, 8. ronen vom Minus- zum Pluspol und treiben das 1) Batterien kann man ebenso wie Solar- angeschlossene elektrische Gerät an. zellen in Reihe oder parallel schalten. a) Nenne jeweils einen Vorteil der Parallel- und der Reihenschaltung von Ein Akku ist eine wiederaufladbare Batterie. Batterien. Durch das Anlegen einer externen Span- b) Eine einzelne Zelle einer Zink-Kohle- nungsquelle kann der chemische Vorgang Batterie liefert maximal eine Spannung beim Entladen teilweise umgekehrt werden. von 1,5V. Benötigt man größere Spannun- gen, verwendet man mehrere Zellen. Ver- Allerdings ist die Anzahl der möglichen Lade- anschauliche in einem Schaltbild den in- zyklen begrenzt und die Ladestromstärke muss neren Aufbau einer 4,5-Volt-Flachbatterie. je nach Akkutyp optimiert werden. Wird der c) Alessandro Volta stapelte in einer Säu- Akku durch ein unpassendes Ladegerät beschä- le bis zu 50 seiner Voltaelemente über- digt, kann die gespeicherte elektrische Energie einander. Berechne die Spannung, die ei- schlagartig als Wärme freigesetzt werden und ne derartige Voltasäule maximal lieferte. im schlimmsten Fall zur Explosion führen!