(analog: Dreheisengerät) III.4. Messgeräte „Amperemeter” Wärmewirkung: Hitzdraht-Amperemeter I l Erhitzung  l  l Magnetische Wirkung: Galvanometer N S Permanentmagnet Zeiger I Drehbare Spule Drehspulgerät: (analog: Dreheisengerät) EL 1.65  Hitzdrahtinstrument EL 1.64  Drehspulinstrument EL 1.66  Dreheisenmesswerk

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

Innenwiderstand des Amperemeters: real A ideal Ri Innenwiderstand verfälscht den Schaltkreis! Ausweg: Indirekte Strommessung durch Voltmeter mit Messverstärker V Re  0 I externer Messwiderstand Messverstärker (  1016 A messbar )

Indirekte Spannungsmessung mit Amperemetern: Rp I Ip U Spannung ohne Messgerät: gesucht Spannung mit Messgerät: gemessen

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 Bildung eines Elektrolyts: Dissoziation ( Aufspaltung in Wasser da energetisch günstiger ) O H   Wasser-Molekül   Molekül mit Ionenbindung U0   Elektrolyt Kathode (Minuspol) Anode (Pluspol)   Anion   Kation

Spezialfall: Dissoziation von Wasser U0   Elektrolyt Kathode (Minuspol) Anode (Pluspol) 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. EL 2.01  Leitfähigkeit des Wassers EL 2.02  Elektrolytische Wasserzersetzung

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  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  2 H2-Moleküle pro O2-Molekül  Knallgas EL 2.04  Erzeugung von Knallgas

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) Bleibaum: Dissoziation Bleiacetat: Pb ( CH3COO )23H2O Pb2 CH3COO Bleikathode: Pb – Ablagerung (Bleibaum) Bleianode (Opferanode): Pb  2 CH3COO  Pb ( CH3COO )2  2 e EL 2.06  Verkupfern einer Nickelelektrode EL 2.07  Bleibaum

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

Elektrochemisches Äquivalent: Def.: Faraday-Konstante Folgerung: 1 Mol eines Ions mit Ladg. Z·e transportiert die Ladg. Z·F Messungen: Elektrochemisches Äquivalent: Ladungszahl Z und Faraday-Konstante: Elementarladung:

kosmisches Myon ( Primärionisation) 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 EL 2.18  Ionisation von Luft durch Flammengase und radioaktiver Strahlung

Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung I Anode Kathode Primär-Ionisation R U A: Linearer Bereich  Ohmsches Gesetz Gleichgewicht Erzeugung / Rekomb. sehr kleine Abflussrate von e, Ionen n  const., vD  E U I B A US Sättigung B: Rekombinationsbereich U  Abflussrate  Rekomb. n  Ladungsträgermangel

Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung I Anode Kathode Primär-Ionisation R U C: Sättigungsbereich fast alle Ladungsträger fließen ab keine Rekombination I  const. U I D UZ Zünd UC kritisch C B A US Sättigung CD: Stoßionisation setzt ein, I D: Zündpunkt für selbständige Entladung Ekin (zwischen Stößen) EIonisation jede Ladung sorgt für eigenen Ersatz stark druckabhängig

Kennlinie der Gasentladung: Allmähliche Stromerhöhung I Anode Kathode Primär-Ionisation R U E: Glimmentladung ( bei sehr kleinem Druck ) Strom I , Widerstand R U I G F E D UZ Zünd UC kritisch C F: Raumladungseffekte werden wichtig Raumladung  Abschirmung  R B A US Sättigung EL 2.20  Glimmentladung mit Glimmlampe G: Bogenentladung ( bei großem Druck ) großer Strom  glühende Elektroden Glühemission von Elektronen

   K A  Struktur von Glimmentladungen: (stark druckabhängig)    Kathodenfall Elektronenstau Anodenfall        K A Hittorfscher Dunkelraum Faradayscher Dunkelraum Gasanregung, Kathoden-Glimmlicht Stoßionisation „negatives Glimmlicht“ Gasanregung „positive Säule“ (manchmal strukturiert) anodisches Glimmlicht EL 2.21  Gasentladungsröhre EL 2.22  Vakuumskala EL 2.23  Hittdorf´sches Umwegrohr EL 2.24  Kanalstrahlröhre

III.6. Strom-/Spannungsquellen Stromquelle U Def.: EMK  ElektroMotorische Kraft Ri U0  EMK V Ra Messung von U(Ra)  Messung von Ri und EMK Beispiele für Stromquellen: Elektrodynamische Generatoren: Strom Solarzellen (  Halbleiterphysik ) Galvanische Elemente: Lösung von Metall in Elektrolyt Elektrolyt  Metall Ion  e Elektrolyt Metall   abschirmendes E-Feld  Potentialdifferenz Diffusions- Gleichgewicht

Galvanisches Element (Prinzip): poröse Wand U Metall1 Elektrolyt1 Elektrolyt2 Metall2 1 2 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 EL 2.10  Galvanische Elemente Edle Metalle: U  0 (Cu, Ag, Au,…) geben schwer Elektronen ab Unedle Metalle: U  0 (Fe,…) geben leicht e ab  oxydationsfreudig

Galvanische Spannungsreihe einiger Metalle: Temperatur: 25 ºC Druck: 101,3 kPa Referenzelektrode: H2-umspülte Platinelektrode in 1-normaler Säure 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 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 EL 2.08  Verkupfern und Versilbern eines Eisenstabes EL 2.10  Galvanische Elemente

EE( Cu-Abscheidung )  E( Zn-Auflösung ) Daniell-Element: poröse Wand Cu Cu SO4 Zn SO4 Zn U 1 2 2e 2e H2SO4 / H2O Cu Zn            SO42  Cu   EL 2.11  Daniell - Element            Zn    EE( Cu-Abscheidung )  E( Zn-Auflösung ) Bemerkung: Cu SO4 als gemeinsames Elektrolyt möglich, aber Zn- Elektrode würde sich mit Kupfer überziehen!

Wiederaufladbare Stromquellen Akkumulatoren: Wiederaufladbare Stromquellen H2SO4 / H2O Pb SO4 Schicht Pb Beispiel: Bleiakku 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 EL 2.12  Blei - Akkumulator Entladen: Anode: Pb O2  SO42  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)

Thermoelektrizität E Energieniveaus der Leitungselektronen Energie freier Elektornen (ruhend) E   WA Austrittsarbeit   Metall-Oberfläche Vakuum EL 1.59  Thermospannung (Kupfer-Konstantan-Thermoelement) Def.: Kontaktpotential U12  WA zwischen zwei sich berührenden Metallen 1, 2 stark Temperatur-abhängig

 T1 T2 T1 T2 Thermoelement: Thermospannung Peltier-Effekt: Metall 1 V Uth Thermospannung Uth  a·T  a·( T2T1 ) Peltier-Effekt: Metall 1 Metall 2 Uext T1 T2   I EL 1.60  Thermostrom (Thermomagnet) EL 1.61  Peltier - Kühlzelle

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

Praktische Auslegung: EL 2.15  PEM - Brennstoffzelle Technische Herausforderung: Wasserstoff-Gewinnung mit erneuerbarer Energie (Solar/Wasser/Bio…)

Piezo-Elektrizität  Demo-Versuch Pyro-Elektrizität  Demo-Versuch EL 1.68  Piezoelektrizität EL 1.69  Pyroelektrizität