1

III.4. Messgeräte „Amperemeter”a) Wärmewirkung: Hitzdraht-Amperemeter

I l

Erhitzung l

lδ

Il l

b) Magnetische Wirkung: Galvanometer

N SPermanentmagnet

Zeiger

B

I I

Drehbare Spule

Drehspulgerät:

(analog: Dreheisengerät)

2

c) Elektrolytische Wirkung:

I Menge des pro Zeiteinheit elektrolytisch zersetzten Stoffes (s.u.)

d) Spannungsmessung: Voltmeter

VR

I0I

~

elektrostatisches Voltmeter ( Innenwiderstand )

IRU

3

Innenwiderstand des Amperemeters:

A

real

A

ideal

Ri

Innenwiderstand

verfälscht den Schaltkreis!

verfälscht den Schaltkreis!

Ausweg: Indirekte Strommessung durch Voltmeter mit Messverstärker

V

Re 0

IRU e I

externer Messwiderstand

Messverstärker ( 1016 A messbar )

4

Indirekte Spannungsmessung mit Amperemetern:

A

R

Rp

I

IpIp

U

R R p R R p

IR U pp0 IR U pp0

Spannung ohne Messgerät: IRU0 gesucht

Spannung mit Messgerät: pp

0p

IRU

UIRIIRU

gemessen

5

III.5. Stromtransport in Flüssigkeiten und GasenIII.5.1. Elektrolytische Leitung von StromElektrolyt: Flüssigkeit mit frei beweglichen Ionen (geladene Moleküle)

z.B. Salzlösungen, Säuren, Laugen

O

H H

ep

Wasser-Molekül

Molekül mit Ionenbindung

Bildung eines Elektrolyts:

Dissoziation ( Aufspaltung in Wasser da energetisch günstiger )

Anion

Kation

U0

Elektrolyt

Kathode (Minuspol)

Anode

(Pluspol)

6

Neutralisierung der Ionen an Elektroden

• Ablagerungen auf Elektroden

• Aufsteigen von Gasbläschen an Elektroden

• Auflösen von Elektroden

Spezialfall: Dissoziation von Wasser

OHHO H2 OHHO H2

(geringe) Leitfähigkeit von Wasser

Erhöhung der Leitfähigkeit durch Zugabe von Salz etc.

U0

Elektrolyt

Kathode (Minuspol)

Anode

(Pluspol)

7

Knallgaserzeugung mit Kochsalzlösung:

Dissoziation von Kochsalz: Na Cl Na+ Cl

Kathode: 2 Na 2 H2O 2 e 2 Na OH H2

Anode: 4 Cl 2 H2O 4 H Cl O2 4 e

Dissoziation von Kochsalz: Na Cl Na+ Cl

Kathode: 2 Na 2 H2O 2 e 2 Na OH H2

Anode: 4 Cl 2 H2O 4 H Cl O2 4 e

2 H2-Moleküle 1 O2-Molekül Knallgas

Knallgaserzeugung mit verdünnter Schwefelsäure:

Dissoziation Schwefelsäure: H2 SO4 2 H+ SO42

Kathode: 2 H 2 e H2

Anode: SO42 H2O H2 SO4 ½ O2 2 e

Dissoziation Schwefelsäure: H2 SO4 2 H+ SO42

Kathode: 2 H 2 e H2

Anode: SO42 H2O H2 SO4 ½ O2 2 e

2 H2-Moleküle pro O2-Molekül Knallgas

8

Kupferbeschichtung ( Rostschutz ):

Dissoziation Kupfersulfat: Cu SO4 Cu2+ SO42

Kathode (z.B. Nickel): Cu2+ 2 e Cu (galvanische Beschichtung)

Anode: SO42 SO4 2 e

a) Kohlestab 2 H2O SO4 H2 SO4 O2

b) Kupfer (Opferelektrode) Cu SO4 Cu SO4 (Auflösung)

Dissoziation Kupfersulfat: Cu SO4 Cu2+ SO42

Kathode (z.B. Nickel): Cu2+ 2 e Cu (galvanische Beschichtung)

Anode: SO42 SO4 2 e

a) Kohlestab 2 H2O SO4 H2 SO4 O2

b) Kupfer (Opferelektrode) Cu SO4 Cu SO4 (Auflösung)

Bleibaum:

Dissoziation Bleiacetat: Pb ( CH3COO )23H2O

Pb2 CH3COO

Bleikathode: Pb – Ablagerung (Bleibaum)

Bleianode (Opferanode): Pb 2 CH3COO Pb ( CH3COO )2 2 e

Dissoziation Bleiacetat: Pb ( CH3COO )23H2O

Pb2 CH3COO

Bleikathode: Pb – Ablagerung (Bleibaum)

Bleianode (Opferanode): Pb 2 CH3COO Pb ( CH3COO )2 2 e

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Leitfähigkeit und Ionenkonzentration:

el

n

A B

A: Ladungsträgerdichte steigt

B: Beweglichkeit nimmt ab (Anziehung von Kationen und Anionen)

10

Elektrochemisches Äquivalent:

Def.: Faraday-Konstante C96485,309eN F A C96485,309eN F A

Folgerung: 1 Mol eines Ions mit Ladg. Z·e transportiert die Ladg. Z·F

Messungen:

a) Elektrochemisches Äquivalent:

b)Ladungszahl Z und Faraday-Konstante:

c) Elementarladung:

ΔQΔmm erttransportienabgeschiedQ [mol] ΔQΔmm erttransportienabgeschiedQ [mol]

mF Z 1Q- mF Z 1Q-

mNZNFe 1QAA

- mNZNFe 1QAA

-

11

III.5.2. Strom in GasenGasionisation gemischte e, Ion-Leitung ( Plasma )

Mechanismen:• thermische Ionisation• ionisierende Strahlung ( e, e, , , , … )• Stoßionisation

Gas

kosmisches Myon ( Primärionisation)

Ladungsdrift:

Gas

Ion

12

Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung

U

I

B

A

US

Sättigung

A: Linearer Bereich Ohmsches Gesetz•Gleichgewicht Erzeugung / Rekomb.•sehr kleine Abflussrate von e, Ionen•n const., vD E

B: Rekombinationsbereich•U Abflussrate Rekomb.•n Ladungsträgermangel

I

Anode KathodePrimär-

Ionisation

RU

13

U

I

Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung

UC

kritisch

C

C: Sättigungsbereich

•fast alle Ladungsträger fließen ab

•keine RekombinationI const.

D

UZ

Zünd

CD: Stoßionisation setzt ein, I

D: Zündpunkt für selbständige Entladung

Ekin (zwischen Stößen) EIonisation

• jede Ladung sorgt für eigenen Ersatz

•stark druckabhängig

B

A

US

Sättigung

I

Anode KathodePrimär-

Ionisation

RU

14

E

E: Glimmentladung ( bei sehr kleinem Druck )

•Strom I , Widerstand R

F

F: Raumladungseffekte werden wichtig

•Raumladung Abschirmung R

G: Bogenentladung ( bei großem Druck )

•großer Strom glühende Elektroden

•Glühemission von Elektronen

G

Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung

U

I

UC

kritisch

CD

UZ

Zünd

B

A

US

Sättigung

I

Anode KathodePrimär-

Ionisation

RU

15

Struktur von Glimmentladungen: (stark druckabhängig)

K AGasanregung,

Kathoden-Glimmlicht

Kathodenfall

Hittorfscher Dunkelraum

Stoßionisation „negatives

Glimmlicht“

Elektronenstau

Faradayscher Dunkelraum

Gasanregung „positive Säule“

(manchmal strukturiert)

Anodenfall

anodisches Glimmlicht

16

III.6. Strom-/Spannungsquellen

Stromquelle

UV

Ra

Ri

U0 EMKDef.:

RR

REMK U

ai

a

RR

REMK U

ai

a

EMK ElektroMotorische Kraft

Messung von U(Ra) Messung von Ri und EMK

Elektrolyt

Metall

Diffusions-

Gleichgewicht

Beispiele für Stromquellen:

a) Elektrodynamische Generatoren: Strom

b) Solarzellen ( Halbleiterphysik )

c) Galvanische Elemente: Lösung von Metall in Elektrolyt

B

abschirmendes E-Feld

PotentialdifferenzElektrolyt

MetallIon

e e

17

Galvanisches Element (Prinzip):

Metall1 Metall2Elektrolyt1 Elektrolyt2

poröse Wand

1 2

0 U

Δ U 21 Δ U 21

Edle Metalle: U 0 (Cu, Ag, Au,…) geben schwer Elektronen ab

Unedle Metalle: U 0 (Fe,…) geben leicht e ab oxydationsfreudig

Referenzelektrode: H2-umspülte Platinelektrode in 1-normaler Säure

1 Mol H / l

Spannungsreihe: Galvanische Spannung gegenüber Referenzelektrode(Metalle in 1-normalem Elektrolyt mit gleichem Metallion)

1 Mol Metallionen / l

18

Galvanische Spannungsreihe einiger Metalle:

Referenzelektrode: H2-umspülte Platinelektrode in 1-normaler Säure

Temperatur: 25 ºC Druck: 101,3 kPa

Elektrolyt-Konzentration: 1-normal

Metallelektrode U V

Lithium Li Li 3,05

Kalium K K 2,92

Natrium Na Na 2,71

Magnesium Mg Mg2 2,37

Aluminium Al Al3 1,66

Zink Zn Zn2 0,76

Eisen Fe Fe2 0,44

Metallelektrode U V

Cadmium Cd Cd2 0,40

Nickel Ni Ni2 0,23

Blei Pb Pb2 0,13

Kupfer Cu Cu 0,52

Silber Ag Ag 0,80

Platin Pt Pt2 1,20

Gold Au Au3 1,50

19

Daniell-Element:

Cu ZnCu SO4 Zn SO4

poröse Wand

1 2

0 U

Bemerkung: Cu SO4 als gemeinsames Elektrolyt möglich, aber Zn- Elektrode würde sich mit Kupfer überziehen!

H2SO4 / H2OH2SO4 / H2O

Cu Zn

Cu

Zn

2e2e

EE( Cu-Abscheidung ) E( Zn-Auflösung )

SO42

20

a) Akkumulatoren:Wiederaufladbare Stromquellen

Beispiel: Bleiakku

H2SO4 / H2O

Pb SO4 Schicht

Pb SO4 Schicht

Pb Pb

Aufladen:Anode: Pb SO4 2 H2O Pb O2 H2SO4 2 H

2 e

Kathode: Pb SO4 2 H 2 e Pb H2SO4

Anode Pb O2 ; Kathode Pb

Aufladen:Anode: Pb SO4 2 H2O Pb O2 H2SO4 2 H

2 e

Kathode: Pb SO4 2 H 2 e Pb H2SO4

Anode Pb O2 ; Kathode Pb

Entladen:Anode: Pb O2 SO4

2 4 H 2 e Pb SO4 2 H2O

Kathode: Pb SO42 Pb SO4 2 e

Anode Pb SO4 ; Kathode Pb SO4

Entladen:Anode: Pb O2 SO4

2 4 H 2 e Pb SO4 2 H2O

Kathode: Pb SO42 Pb SO4 2 e

Anode Pb SO4 ; Kathode Pb SO4

Analog: Trockenbatterie (Leclanché-Element)

21

b) Thermoelektrizität

Energie freier Elektornen (ruhend)

E

Metall-Oberfläche

Vakuum

Energieniveaus der Leitungselektronen

WA

Austrittsarbeit

Def.: Kontaktpotential U12 WA zwischen zwei sich berührenden Metallen 1, 2

stark Temperatur-abhängig

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Thermoelement: Metall 1 Metall 2 Metall 1

T1 T2V

Uth

Thermospannung

Uth a·T a·( T2T1 )

Peltier-Effekt:

Metall 1 Metall 2 Metall 1

Uext

T1 T2

I I

23

c) Brennstoffzellen: Umkehrung der Elektrolyse

Beispiel: („kalte Verbrennung“)Katalysator (Elektroden): PlatinElektrolyt: Polymer-Membran (0,1 mm) mit hoher H-Leitfähigkeit

(Ionomer Nafion®)Wirkungsgrad: 60% (d. h. 40% wird als Wärme frei)

OH2OH2 222

Nafion®

• saurer Elektrolyt• Kationen-Leiter• Anionen-Nichtleiter

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Praktische Auslegung:

Technische Herausforderung:

Wasserstoff-Gewinnung mit erneuerbarer Energie (Solar/Wasser/Bio…)

25

d) Piezo-Elektrizität

e) Pyro-Elektrizität

Demo-Versuch

Demo-Versuch