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Inhalt
1. Ende des 18.Jahrhunderts
1.1. Allgemeines
1.2. Mechanik
1.3. Elektrizität / Magnetismus
2. Galvani
2.1. Biographie
2.2. Experimente mit Froschschenkeln
2.3. Interpretation
3. Volta
3.1. Biographie
3.2. Forschung
3.3. Kontroverse mit Galvani
3.4. Voltasche Säule
4. Bedeutung heute
4.1. Galvanische Verfahren / Galvanotechnik
4.2. Batterie
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Geschichtliches
Ende des 18. Jahrhunderts war geprägt duch die Kriegspolitik Napoleons
1789 Beginn der Französischen Revolution
1796 Italien unter französischer Herrschaft
1806 Napoleon wird König Italiens
Große Kluft zwischen Arm und Reich
Unzufriedenheit des Volkes führt in Frankreich zur Revolution
Zeitalter der Aufklärung
Gegenbewegung zur Vorherrschaft von Kirche und Krone
Entstehung vieler Universitäten
Beginn der Industriellen Revolution
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Die Mechanik am Ende des18. Jahrhunderts
Mechanik ist das älteste Teilgebiet der Physik
Die wichtigsten Vertreter:
Galileo Galilei
Isaac Newton
Johannes Kepler
Die grundlegenden Gesetze der Mechanik sind vorhanden
Gravitationsgesetz
Bewegungsgleichungen (Newton'sche Axiome)
Keplergesetze
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Geschichte der Elektrizität
1601 William Gilbert untersucht el. Aufladung verschiedener Materialien, führt den Begriff 'Electrica' ein
1663 Otto von Guericke entwickelt Elektrisiermaschine
1733 entdeckt Charles du Fay die zwei Arten der Elektrizität (positive / negative)
1745 Leidener Flasche
1752 Benjamin Franklin baut den ersten Blitzableiter
1785 Charles de Coulomb formuliert erstmals seine Beobachtungen (Kraft-Abstand-Gesetz)
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Elektrizität und Magnetismus
Elektrizität hatte noch keinen Zusammenhang zum Magnetismus
Gelehrten suchen für alles mechanische Ursachen
man betrachtet Elektrizität als ein Fluid, welches den mechanischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt
einzige Stromquelle bis dahin ist die Elektrisiermaschine
einziger Energiespeicher ist die Leidener Flasche
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Elektrisiermaschine
Funktion beruht auf dem Prinzip der Ladungstrennung durch Reibung
Beim Reiben verteilen sich die Elektronen an den beiden Oberflächen unterschiedlich stark
man kann nun entweder die positiven oder negativen Ladungen ableiten und beispielsweise in Leidener Flaschen sammeln
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Leidener Flasche
älteste Bauform des Kondensators mit einer Kapazität von ca. 5 nF
Glasflasche (Isolator) mit innen und außen aufgebrachten Metallschichten
anfangs Verwendung als Jahrmarktsattraktion zur Demonstration von Stromschlägen
eine der ersten wissenschaftlichen Anwendungen durch Benjamin Franklin: Verbindet Drachen mit Flasche um Ladung von Gewitterwolken einzufangen
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Biographie von Luigi Galvani
Geboren am 9. September 1737 in Bologna, Italien
Medizinstudium auf Wunsch seiner Familie
1760 Heirat mit Lucia Galeazzi
1762 Professor für Medizin in Bologna
1775 Professor für Anatomie
1780 Entdeckung der 'tierischen Elektrizität', bedingt durch Überschlag elektrischer Funken Lucia Galeazzi
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Biographie von Luigi Galvani
1786 Entdeckung der 'tierischen Elektrizität', bedingt durch die Kontaktelektrizität von Metallen
1790 Tod seiner Frau
1791 Veröffentlichung seiner Beobachtungen in dem Buch 'Abhandlung über die Kräfte der tierischen Elektrizität auf die Bewegung der Muskeln'
1798 Suspendierung auf Grund seiner Verweigerung des Eides auf die neue Regierung Italiens
Tod, 4. Dezember 1798 in Bologna
Luigi Galvani
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1. Froschschenkel Versuch
Kontraktion der Muskeln, wenn Froschschenkel mit Messerklinge in Berührung steht und in der Nähe eine Funkenmaschine betrieben wird
Galvani sieht Ursache in 'tierischer Elektrizität'
Konstruktion der ersten Antenne
erneute Versuche mit Gewitterblitzen
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2. Froschschenkel Versuch
Kontraktion der Muskeln, wenn diese mit Kupfer und Eisen in Berührung kommen (Kupfer und Eisen ebenfalls leitend verbunden)
stellt Galvanisches Element dar, wobei der Frosch als Stromanzeiger fungiert
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Galvanisches Element
wandelt chemische in elektrische Energie um
Dient als Gleichspannungsquelle
Aufbau aus zwei verschiedenen Metallen und einem Elektrolyt
Funktion beruht auf Redox-Reaktion
Reduktion und Oxidation laufen räumlich getrennt in 2 Halbzellen ab
Die Halbzellen sind durch e- -Leiter und Ionenleiter verbunden
Red: Cu2+ + 2e- → CuOx: Zn → Zn2+ + 2e-
Redox: Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+
Daniell Element: 1,1 V
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Biographie von Alessandro Volta
Geboren am 18. Februar 1745 in Como, Italien
1758-1760 Besuch einer Jesuitenschule
nebenbei Selbststudium der Elektrizität und Korrespondenz mit anderen Gelehrten
1769 erste physikalische Veröffentlichung 'De vi attractiva ignis electrici'
Alessandro Volta
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Biographie von Alessandro Volta
1774 Volta wird Physiklehrer an der staatlichen Schule in Como
1775 wachsende Bekanntheit durch Erfindung des Elektrophors
1776 Entwicklung der Volta Pistole → Eudiometer
1778 Physik Professor an der Universität Pavia
1783 Verbesserung des Elektroskops und Einführung eigener Spannungseinheiten
Formulierung der Proportionalität von Spannung und Ladung im Kondensator
1791 Volta wird zum Mitglied der Londoner Royal Society ernannt
1792 Volta erfährt von den Froschexperimenten Galvanis und dessen Interpretation → Volta sieht andere Ursache in Muskelzuckungen wie Galvani
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Biographie von Alessandro Volta
Interesse an Kontaktelektrizität geweckt, fängt mit Untersuchungen an
1794 Verleihung der Copley Medallie
1794 Heirat mit Teresa Peregrini
1795 Spannungsreihe der Metalle
1800 Konstruktion der ersten Voltasäule
1801 Reise nach Paris, wo er Napoleon seine Batterie vorführt
1802 Erhalt der Ehrenmedallie in Gold von dem Institut de France und eine Pension von Napoleon Volta Säule
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Biographie von Alessandro Volta
1809 Napoleon ernennt Volta zum Senator
1810 Napoleon ernennt Volta in den Grafenstand
1813 Ernennung zum Dekan der philosophischen Fakultät in Pavia
1819 Volta emeritiert
1827 Tod in Camnago
1897 größte Ehrung für einen Physiker überhaupt: die Einheit der elektrischen Spannung = Volt
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Das Elektrophor
Gerät zur Trennung elektrischer Ladungen (→ el. Spannung) mit Hilfe von Influenz
besteht aus Metallteller mit isoliertem Griff und einem 'Kuchen'
unendlich oft durchführbar, da die Ladungen des Kuchens nicht abgeleitet wird, sondern nur für den Vorgang der Influenz benötigt wird
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Das Elektroskop
1783 verbesserte Volta das Elektroskop
Gerät zum Nachweis elektrischer Ladungen oder Spannungen
Nach Voltas Verbesserung sind nun auch kleine Elektrizitätsmengen meßbar
Funtionsweise beruht auf der Abstoßung gleicher LadungenStrohhalmelektrometer
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Proportionalität von Spannung und Ladung
1783, nach seiner Verbesserung des Elektroskops, war es Volta erstmals möglich die Relationen zwischen Spannung und Ladung in einem Kondensator genau zu messen
Entnimmt man Ladungen, sinkt die Spannung proportional ab
Proportionalitätskonstante stellt die Kapazität dar →
Q = CU
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Die Spannungsreihe der Metalle
Metalle unterscheiden sich in ihrer Bereitschaft e- abzugeben oder aufzunehmen
Edelmetall
positives Standardpotential
geringe Bereitschaft e- abzugeben
unedle Metalle
negatives Standardpotential
große Bereitschaft e- abzugeben
Kombination zweier Metalle führt zu e- - Übergang vom unedlen zum Edelmetall
F + 2 e− +2,87 V
Au + 3 e− +1,42 V
Pt + 2 e− +1,20 V
Hg + 2 e− +0,85 V
Ag + e− +0,80 V
Cu + 2 e− +0,34 V
+ 2 e− 0
Pb + 2 e− −0,13 V
Fe + 2 e− −0,41 V
Zn + 2 e− −0,76 V
Mn + 2 e− −1,18 V
Al + 3 e−↔ Al −1,66 V
Mg + 2 e−↔ Mg −2,38 V
Na + e− −2,71 V
Li + e− −3,05 V
F2↔ 2 F−
Au3+↔ Au
Pt2+↔ Pt
Hg2+↔ Hg
Ag+↔ Ag
Cu2+↔ Cu
H2 2 H+
↔ H2
Pb2+↔ Pb
Fe2+↔ Fe
Zn2+↔ Zn
Mn2+↔ Mn
Al3+
Mg2+
Na+↔ Na
Li+ ↔ Li
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Voltas Kontroverse mit Galvani
Galvani entdeckt die 'tierische Elektrizität'
1791 Veröffentlichung seiner Beobachtungen in dem Buch 'Abhandlung über die Kräfte der tierischen Elektrizität auf die Bewegung der Muskeln'
These wurden von anderen Gelehrten vorerst bestätigt
1792 erfährt Alessandro Volta von Galvani's Froschexperimenten, sieht jedoch eine andere Ursache in den Muskelzuckungen als Galvani
Galvani ist der Meinung, dass Elektrizität in Muskeln und Nerven des Frosches gespeichert ist und somit eine Leidener Flasche darstellen
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Voltas Kontroverse mit Galvani
Volta sieht die Ursache in einer Kontaktelektrizität der Metalle. Für ihn ist der Frosch lediglich ein Anzeigeinstrument.
Es kommt zu einem Streit um Galvanismus, der Europas Wissenschaftler in zwei Lager teilt (Voltaisten und Galvanisten)
Streit wird auch nach Galvanis Tod 1798 weitergeführt
1800 findet Volta den Beweis für seine These und beendet den Streit
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Die Volta Säule
Tassenkrone und Voltasäule
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Die Volta Säule
Vorläufer der heutigen Batterie
liefert um 1800 ~25V
Aufbau
besteht aus vielen hintereinander geschalteten Galvanischen Elementen, abwechselnd Kupferplatte-Elektrolytschicht-Zinkplatte-...
Beispiel für verwendete Elektrolyte: in Salzlake oder Wasser getränkte Leder oder Stoffstücke
zwischen die Enden der Voltasäule werden mit einem Draht die Verbraucher angeschlossen
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Die Bedeutung Galvanis heute
Kontrollierte Prozesse:Galvanische Abscheidung / Galvanotechnik
Verzinken (oft mit Zinkcyanid Zn(CN)2)
Verchromen (oft auf Chromsäurebasis H2CrO
4)
Verkupfern
...
Unkontrollierte Prozesse:Galvanische Korrosion
Überall da wo verschiedene Materialien in ”leitender Umgebung” (Elektrolyt) vorkommen
Betrifft Gebäude (Stahlbeton) bis Mikroelektronik
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Galvanotechnik
Galvanotechnik
soll primär Metalle gegen Umwelteinflüsse und Korrosion schützen
bringt eine dünne metallische Schutzschicht auf die zu schützenden Gegenstände auf
Schaden durch Korrosion in Deutschland 25 Milliarden €
1€ in galvanischen Oberflächenschutz investiert spart bis zu 300€ Korrosionsschäden
Ressourcen / Umwelt
weniger Metall geht durch Korrosion verloren
nur sehr dünne Schutzschichten (im µm-Bereich) werden benötigtz.B. mit 1kg Zink können 1000kg Schrauben verzinkt werden
Problem: Entsorgung der galvanischen Bäder (Säuren, Schwermetalle)→ galvanische Betrieb haben in Deutschland geschlossene Abwassersysteme (gilt leider nicht überall in "Billiglohnländern")
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GalvanotechnikBeispiel
die Galvanisierung von großen Werkstücken (hier die Verzinkung von Rohren) erfordert große Mengen an galvanischen Bädern
die umweltgerechte Entsorgung dieser Bäder ist daher ein sehr wichtiger Aspekt der Galvanotechnik
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Galvanische KorrosionMechanismus
Galvanische Korrosion ist ein wichtiger Korrrosionsmechanismus
tritt auf bei Kontakt verschiedener Metalle (allgemeiner: bei inhomogenen, elektrochemisch verschiedenen Stoffsystemen)
Feuchtigkeit übernimmt die Rolle des Elektrolyten
das unedlere Metall wirkt als Anode→ "geht in Lösung" = korrodiert
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Galvanische Korrosion Beispiel
Verteilungsleitung für Heizöl aus verschiedenen leitend verbundenen Teilen:
Al- und Cu-Rohre, CuZn-T-StückStahlmuttern
bei der im feuchten Erdreich verlegten Leitung entstand der Korrosionsschaden (Loch) am Al-Rohr→ dem elektrochemisch unedelsten Werkstoff dieser Kombination
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Die Geschichte der Batterie
1800 Alessandro Volta baut die Volta Säule
1802 Johann Wilhelm Ritter baute die Ritter Säule, Urform des Akkumulators
1812 Giuseppe Zamboni baut erste Hochspannungsbatterie
1836 John Frederic Daniell baut Daniell-Element
1859 Gaston Planté baut erste wiederaufladbare Bleibatterie, der 1881 von Henri Tudor die typische Kastenform erhält
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Die Geschichte der Batterie
1860 Einführung der Alkali Batterie
1865 Georges Leclanché baut erste Trockenbatterie
1875 Weiterentwicklung des Leclanché Elements zur Alkali-Mangan Batterie
1892 baut Weston das erste Quecksilber Cadmium Element
es folgen viele verschiedene Zellen
1904 werden erstmals Batterieanlagen für U-Boote hergestellt
1991 Sony bringt die ersten Lithium-Ionen-Akkus auf den Markt
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Die Batterie
Begriff 'Batterie' bedeutet eine Zusammenschaltung mehrerer Galvanischer Elemente
man unterscheidet Primär- und Sekundärzellen
Primärzellen
nicht wiederaufladbar
Heute: Trockenbatterien
Sekundärzellen
Akkumulatoren, also wiederaufladbar
Akkumulator, kurz Akku
Speicher für elektrische Energie
Besteht aus in Reihe geschalteten Sekundärzellen
Sekundärzelle stellt Galvanisches Element dar, bei der sich die chemischen Vorgänge beim Entladen durch Stromzufuhr rückgängig machen lassen
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Arten von Batterien
Knopfzellen(Uhren, Hörgeräte)
Gerätebatterien (Taschenlampe, mp3-Player)
Starterbatterien (Autos)
Traktionsbatterien (el. angetriebene Autos, Wohnwagen)
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Batterien in Zukunft
Lithium Ionen Akkus werden in Zukunft immer wichtiger werden
haben bereits jetzt viele andere Modelle abgelöst
werden auch in der zukünftigen Fahrzeugindustrie nicht mehr wegzudenken sein
In vielen verschiedenen Größen und Leistungen erhältlich
Erzeugung der elektromotorischen Kraft durch die Verschiebung von Lithium Ionen
Vorteile
Lange Lebensdauer
Leichter im Vergleich zu Blei Akkumulatoren (Autos)
Geringe Selbstentladung
Kein Memory-Effekt
Anwendungen
Kleingeräte
Hybridfahrzeuge
Elektrowerkzeug
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Literatur
Chemie, Charles E. Mortimer, Georg Thieme Velag Stuttgart, 1996
Gerthsen Physik, Christian Gerthsen, Springer Berlin, 2002
Luigi Galvani International Workshop Proceedings, Università di Bologna, 1998
Volta Science and Culture in the Age of Enlightenment, Giuliano Pancaldi, Princeton University Press, 2003
www.wikipedia.de
www.physikfuerkids.de
www.buch-der-synergie.de
www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/phil_Fak_I/Philosophie/Wissenschaftsgeschichte/Termine/E-Maschinen-Lexikon/
www.korrosion-online.de
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