1 iii.4. messgeräte amperemeter a)wärmewirkung: hitzdraht-amperemeter i l erhitzung i l...
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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
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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)
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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
-
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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…)
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d) Piezo-Elektrizität
e) Pyro-Elektrizität
Demo-Versuch
Demo-Versuch
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