inhalt · 1733 entdeckt charles du fay die zwei arten der elektrizität (positive / negative) 1745...

Christina Zoth 2008-10-28 1

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


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


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


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)


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


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


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


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


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


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


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


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


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



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



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



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


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


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


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


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


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


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


Die Volta Säule

Tassenkrone und Voltasäule


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


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


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")


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


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


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


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


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


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


Arten von Batterien

Knopfzellen(Uhren, Hörgeräte)

Gerätebatterien (Taschenlampe, mp3-Player)

Starterbatterien (Autos)

Traktionsbatterien (el. angetriebene Autos, Wohnwagen)


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


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

inhalt · 1733 entdeckt charles du fay die zwei arten der elektrizität (positive / negative) 1745...

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