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1 III.4. Messgeräte Amperemeter a)Wärmewirkung: Hitzdraht-Amperemeter I l Erhitzung I l b)Magnetische Wirkung: Galvanometer N S Permanentmagnet Zeiger.

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1 1 III.4. Messgeräte Amperemeter a)Wärmewirkung: Hitzdraht-Amperemeter I l Erhitzung I l b)Magnetische Wirkung: Galvanometer N S Permanentmagnet Zeiger I I Drehbare Spule Drehspulgerät: (analog: Dreheisengerät)

2 2 c)Elektrolytische Wirkung: I Menge des pro Zeiteinheit elektrolytisch zersetzten Stoffes (s.u.) d)Spannungsmessung: Voltmeter V R I elektrostatisches Voltmeter ( Innenwiderstand )

3 3 Innenwiderstand des Amperemeters: A real A ideal RiRi Innenwiderstand verfälscht den Schaltkreis! Ausweg: Indirekte Strommessung durch Voltmeter mit Messverstärker V R e 0 I externer Messwiderstand Messverstärker ( A messbar )

4 4 Indirekte Spannungsmessung mit Amperemetern: A R RpRp I IpIp IpIp U Spannung ohne Messgerät: gesucht Spannung mit Messgerät: gemessen

5 5 III.5. Stromtransport in Flüssigkeiten und Gasen III.5.1. Elektrolytische Leitung von Strom Elektrolyt: Flüssigkeit mit frei beweglichen Ionen (geladene Moleküle) z.B. Salzlösungen, Säuren, Laugen O H H Wasser-Molekül Molekül mit Ionenbindung Bildung eines Elektrolyts: Dissoziation ( Aufspaltung in Wasser da energetisch günstiger ) Anion Kation U0U0 Elektrolyt Kathode (Minuspol) Anode (Pluspol)

6 6 Neutralisierung der Ionen an Elektroden Ablagerungen auf Elektroden Aufsteigen von Gasbläschen an Elektroden Auflösen von Elektroden Spezialfall: Dissoziation von Wasser (geringe) Leitfähigkeit von Wasser Erhöhung der Leitfähigkeit durch Zugabe von Salz etc. U0U0 Elektrolyt Kathode (Minuspol) Anode (Pluspol)

7 7 Knallgaserzeugung mit Kochsalzlösung: Dissoziation von Kochsalz:Na Cl Na + Cl Kathode:2 Na 2 H 2 O 2 e 2 Na OH H 2 Anode:4 Cl 2 H 2 O 4 H Cl O 2 4 e Dissoziation von Kochsalz:Na Cl Na + Cl Kathode:2 Na 2 H 2 O 2 e 2 Na OH H 2 Anode:4 Cl 2 H 2 O 4 H Cl O 2 4 e 2 H 2 -Moleküle 1 O 2 -Molekül Knallgas Knallgaserzeugung mit verdünnter Schwefelsäure: Dissoziation Schwefelsäure:H 2 SO 4 2 H + SO 4 2 Kathode:2 H 2 e H 2 Anode:SO 4 2 H 2 O H 2 SO 4 ½ O 2 2 e Dissoziation Schwefelsäure:H 2 SO 4 2 H + SO 4 2 Kathode:2 H 2 e H 2 Anode:SO 4 2 H 2 O H 2 SO 4 ½ O 2 2 e 2 H 2 -Moleküle pro O 2 -Molekül Knallgas

8 8 Kupferbeschichtung ( Rostschutz ): Dissoziation Kupfersulfat:Cu SO 4 Cu 2+ SO 4 2 Kathode (z.B. Nickel):Cu 2+ 2 e Cu (galvanische Beschichtung) Anode:SO 4 2 SO 4 2 e a) Kohlestab2 H 2 O SO 4 H 2 SO 4 O 2 b) Kupfer (Opferelektrode)Cu SO 4 Cu SO 4 (Auflösung) Dissoziation Kupfersulfat:Cu SO 4 Cu 2+ SO 4 2 Kathode (z.B. Nickel):Cu 2+ 2 e Cu (galvanische Beschichtung) Anode:SO 4 2 SO 4 2 e a) Kohlestab2 H 2 O SO 4 H 2 SO 4 O 2 b) Kupfer (Opferelektrode)Cu SO 4 Cu SO 4 (Auflösung) Bleibaum: Dissoziation Bleiacetat:Pb ( CH 3 COO ) 2 3H 2 O Pb 2 CH 3 COO Bleikathode:Pb – Ablagerung (Bleibaum) Bleianode (Opferanode):Pb 2 CH 3 COO Pb ( CH 3 COO ) 2 2 e Dissoziation Bleiacetat:Pb ( CH 3 COO ) 2 3H 2 O Pb 2 CH 3 COO Bleikathode:Pb – Ablagerung (Bleibaum) Bleianode (Opferanode):Pb 2 CH 3 COO Pb ( CH 3 COO ) 2 2 e

9 9 Leitfähigkeit und Ionenkonzentration: el n AB A:Ladungsträgerdichte steigt B:Beweglichkeit nimmt ab (Anziehung von Kationen und Anionen)

10 10 Elektrochemisches Äquivalent: Def.: Faraday-Konstante 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:

11 11 III.5.2. Strom in Gasen Gasionisation gemischte e, Ion -Leitung ( Plasma ) Mechanismen: thermische Ionisation ionisierende Strahlung ( e, e,,,, … ) Stoßionisation Gas kosmisches Myon ( Primärionisation) Ladungsdrift: Gas Ion

12 12 Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung U I B A U S Sättigung A: Linearer Bereich Ohmsches Gesetz Gleichgewicht Erzeugung / Rekomb. sehr kleine Abflussrate von e, Ionen n const., v D E B: Rekombinationsbereich U Abflussrate Rekomb. n Ladungsträgermangel I Anode Kathode Primär- Ionisation R U

13 13 U I Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung U C kritisch C C: Sättigungsbereich fast alle Ladungsträger fließen ab keine Rekombination I const. D UZUZ Zünd C D: Stoßionisation setzt ein, I D: Zündpunkt für selbständige Entladung E kin (zwischen Stößen) E Ionisation jede Ladung sorgt für eigenen Ersatz stark druckabhängig B A U S Sättigung I Anode Kathode Primär- Ionisation R U

14 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 U C kritisch C D UZUZ Zünd B A U S Sättigung I Anode Kathode Primär- Ionisation R U

15 15 Struktur von Glimmentladungen: (stark druckabhängig) K A Gasanregung, Kathoden- Glimmlicht Kathodenfall Hittorfscher Dunkelraum Stoßionisationnegatives Glimmlicht Elektronenstau Faradayscher Dunkelraum Gasanregungpositive Säule (manchmal strukturiert) Anodenfall anodisches Glimmlicht

16 16 III.6. Strom-/Spannungsquellen Stromquelle U V RaRa RiRi U 0 EMK Def.: EMK ElektroMotorische Kraft Messung von U(R a ) Messung von R i und EMK Elektrolyt Metall Diffusions- Gleichgewicht Beispiele für Stromquellen: a)Elektrodynamische Generatoren: Strom b)Solarzellen ( Halbleiterphysik ) c)Galvanische Elemente: Lösung von Metall in Elektrolyt abschirmendes E-Feld Potentialdifferenz Elektrolyt Metall Ion e e

17 17 Galvanisches Element (Prinzip): Metall 1 Metall 2 Elektrolyt 1 Elektrolyt 2 poröse Wand U Edle Metalle: U 0 (Cu, Ag, Au,…) geben schwer Elektronen ab Unedle Metalle: U 0 (Fe,…) geben leicht e ab oxydationsfreudig Referenzelektrode: H 2 -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 18 Galvanische Spannungsreihe einiger Metalle: Referenzelektrode:H 2 -umspülte Platinelektrode in 1-normaler Säure Temperatur: 25 ºC Druck: 101,3 kPa Elektrolyt-Konzentration: 1-normal Metallelektrode U V LithiumLi Li 3,05 KaliumK K 2,92 NatriumNa Na 2,71 MagnesiumMg Mg 2 2,37 AluminiumAl Al 3 1,66 ZinkZn Zn 2 0,76 EisenFe Fe 2 0,44 Metallelektrode U V CadmiumCd Cd 2 0,40 NickelNi Ni 2 0,23 BleiPb Pb 2 0,13 KupferCu Cu 0,52 SilberAg Ag 0,80 PlatinPt Pt 2 1,20 GoldAu Au 3 1,50

19 19 Daniell-Element: Cu ZnCu SO 4 Zn SO 4 poröse Wand U Bemerkung: Cu SO 4 als gemeinsames Elektrolyt möglich, aber Zn- Elektrode würde sich mit Kupfer überziehen! H 2 SO 4 / H 2 O Cu Zn Cu Zn 2e E E( Cu-Abscheidung ) E( Zn-Auflösung ) SO 4 2

20 20 a)Akkumulatoren: Wiederaufladbare Stromquellen Beispiel: Bleiakku H 2 SO 4 / H 2 O Pb SO 4 Schicht Pb Aufladen: Anode:Pb SO 4 2 H 2 O Pb O 2 H 2 SO 4 2 H 2 e Kathode:Pb SO 4 2 H 2 e Pb H 2 SO 4 Anode Pb O 2 ; Kathode Pb Aufladen: Anode:Pb SO 4 2 H 2 O Pb O 2 H 2 SO 4 2 H 2 e Kathode:Pb SO 4 2 H 2 e Pb H 2 SO 4 Anode Pb O 2 ; Kathode Pb Entladen: Anode:Pb O 2 SO H 2 e Pb SO 4 2 H 2 O Kathode:Pb SO 4 2 Pb SO 4 2 e Anode Pb SO 4 ; Kathode Pb SO 4 Entladen: Anode:Pb O 2 SO H 2 e Pb SO 4 2 H 2 O Kathode:Pb SO 4 2 Pb SO 4 2 e Anode Pb SO 4 ; Kathode Pb SO 4 Analog: Trockenbatterie (Leclanché-Element)

21 21 b)Thermoelektrizität Energie freier Elektornen (ruhend) E Metall- Oberfläche Vakuum Energieniveaus der Leitungselektronen WAWA Austrittsarbeit Def.: Kontaktpotential U 12 W A zwischen zwei sich berührenden Metallen 1, 2 stark Temperatur- abhängig

22 22 Thermoelement: Metall 1Metall 2Metall 1 T1T1 T2T2 V U th Thermospannung U th a· T a·( T 2 T 1 ) Peltier-Effekt: Metall 1Metall 2Metall 1 U ext T1T1 T2T2 I I

23 23 c)Brennstoffzellen: Umkehrung der Elektrolyse Beispiel: (kalte Verbrennung) Katalysator (Elektroden): Platin Elektrolyt: Polymer-Membran (0,1 mm) mit hoher H -Leitfähigkeit (Ionomer Nafion®) Wirkungsgrad: 60% (d. h. 40% wird als Wärme frei) Nafion® saurer Elektrolyt Kationen-Leiter Anionen-Nichtleiter

24 24 Praktische Auslegung: Technische Herausforderung: Wasserstoff-Gewinnung mit erneuerbarer Energie (Solar/Wasser/Bio…)

25 25 d)Piezo-Elektrizität e)Pyro-Elektrizität Demo-Versuch


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