Im ersten Abschnitt erläutern wir die elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden und im Elektrolyten.
Wir beschränken uns hier bewusst auf kurze Beschreibungen und auf Verweise zu Internetseiten, die diese Vorgänge und Geräte ausführlicher darstellen.

Themen:

Danach stellen wir in Abschnitt 2 die physikalischen Größen und Formel zusammen, mit denen Batterien gekennzeichnet werden nämlich Spannung, Ladung oder auch Kapazität.


1. "Elektrochemie"

1.1 Die Galvanische Zelle

Der "historische" Grundversuch in Kürze:

Eine durchlässige Trennwand teilt ein Gefäß in zwei Teile.
Der erste ist gefüllt mit z.B. einer Kaliumsulfatlösung der andere mit einer Kupfersulfatlösung.
In die Lösungen tauchen ein Zink- und ein Kohlestab.

Die Zinkatome an der Oberfläche geben Elektronen an den Zinkstab ab und werden so zu Zinkionen (Zn2+), die sich nun in der Lösung befinden. Die abgegebenen Elektronen fließen durch den Draht und den möglicherweise angeschlossenen Verbraucher zur Kupferplatte.
Dort werden die Elektronen von den Kupferionen (Cu2+) aus der Lösung aufgenommen und so entstehen neutrale Kupferatome (Cu). ("s.a. Spannung, Spannungsreihe")

In der Zelle fließt ein Strom positiver Ionen im Bild von links nach rechts, außerhalb ein Strom der negativen Elektronen von links nach rechts:
Der elektrische Stromkreis ist geschlossen.



Alle elektrochemischen Elemente enthalten also keineswegs - wie etwa ein Kondensator - freie Ladungen, die abfließen, sobald ein Stromkreis geschlossen wird. Vielmehr werden durch die chemischen Prozesse Elektronen freigesetzt oder aufgenommen.
Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, bzw. im Akku auch umgekehrt.

(Die Grafik stammt aus dem interessanten Download - Unterrichts - Material "Die Welt der Batterien Funktion, Systeme, Entsorgung" der GRS Batterien).

Eine entsprechende Beschreibung und Erklärung der Zink-Kohle-Zelle liefert z.B. auch Leifi-Physik.


2. Die Voltasche Säule

Die Voltasche Säule wurde 1799 vom italienischen Physiker Alessandro Volta entwickelt und funktioniert nach dem gleichen physikalischen Prinzip wie das galvanische System.

Volta stapelte abwechselnd Zink- und Kupferplatten übereinander, wobei die Platten jeweils mit einer in Salzsäure getränkten Pappe getrennt wurden. Wenn er nun die beiden Metallplatten mit einem Leiter verband, flossen die Elektronen, wie bei der galvanischen Zelle.

Durch das Übereinanderordnen dieser Zellen entstand eine Säule, die eine brauchbare Spannung lieferte. Diese Spannung ließ sich mit mehreren hintereinander geschalteten Säulen noch erhöhen.


3. Der Nickel-Cadmium-Akku (Nickel-Metallhydrid-Akku)

Der Nickel-Cadmium-Akku ist der im Privatbereich meistgenutzte Akku, nämlich als der "wieder verwendbare Ersatz" für die Einweg-Zellen. Seine Elektroden bestehen aus Nickel und aus Cadmium, dazu enthält er Schwefelsäure als Elektrolyt. Diese Akkus haben aber einen entscheidenden Nachteil: Wenn man sie nicht vollständig auf- bzw. entlädt, tritt der so genannte Memory- Effekt auf. Bei diesem Effekt bildet das Cadmium Kristalle, verhindert den reibungslosen Ablauf der chemischen Reaktion und beeinträchtigt so die Kapazität enorm. Dieser Effekt kann durch völliges Auf- und Entladen behoben werden.
Weil Cadmium die Umwelt sehr stark belastet wird es auch häufig von an Wasserstoff gebundenen Metallen ersetzt, man benutzt dann den Namen Nickel-Metallhydrid-Akku.

2. "Die physikalisch-elektrischen Größen und Formeln"

2.1 Die Ladung bzw. Kapazität

Benennen wir als erstes die physikalische Größe Ladung Q, die bei Batterien häufig entgegen der strengeren physikalischen Namensgebung häufig auch als Kapazität bezeichnet wird.
"Mikroskopisch" beschreibt diese Größe, wieviel Elektronen z.B. an der obigen Zinkplatte abgegeben werden, bis die Batterie "entladen" ist. Wegen der Unanschaulichkeit - die Elektronenladung ist ja unvorstellbar klein - wird die Ladung hier üblicherweise ähnlich der physikalischen Grundeinheit der Ladung Q1=1As ("Amperesekunde") in der Einheit "Amperestunden" (Ah) angegeben. (Zahlen, Einheiten und kleine Rechenbeispiele)

Beispiele:

  • So hat die Starterbatterie eines Mittelklassewagens typisch eine Ladung von Q=50Ah,
  • der häufig benutzte Mignonakku je nach Qualität derzeit zwischen 1000mAh und 2000mAh.
    (Vorsilbe m - milli für 10-3=1/1000, Zahlen, Einheiten und kleine Rechenbeispiele)

2.2 Die Spannung

Die zweite, hier wichtige physikalische Größe ist die elektrische Spannung U.
Sie beschreibt die Energie, die von einer Ladung beim Fließen durch einen Verbraucher abgegeben wird; diese Energie erhält die Ladung natürlich durch die chemischen Prozesse in der Batterie.
Die Spannungen von Batteriezellen oder Akkus betragen durchweg 1V bis 2V. ("s.a. Spannung, Spannungsreihe")


Weitere Informationen, wie z.B. zur Alkali-Mangan-Batterie oder zur Knopfzelle findet man auch unter
VARTA-Infoservice für Schüler.

Neben der Darstellung der physikalischen Inhalte findet man im Angebot von
Leifi-Physik auch Seiten über Luigi Galvani und Allessandro Volta.

TOP

Zurück zur Inhaltsübersicht Bleiakkumulator

Zurück zur Seite GSG - Physik

Erstellt am 26.01. 2004; zuletzt geändert am 07.11.2004 . (Ka)