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  Möglichkeiten der Spannungserzeugung 1  
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1. Spannungserzeugung durch Induktion
Das ist die Spannungserzeugung durch Induktion der Bewegung.
Ändert sich in einer Spule ein Magnetfeld, so wird in der Spule eine Spannung induziert. Erfolgt die Änderung des Magnetfeldes durch eine Drehbewegung, so ergibt sich ein Generator. Bei einem Drehstromgenerator sind um den Umfang drei 120° versetzte Spulen angeordnet. So ergeben sich drei um 120° phasenverschobene Wechselspannungen. Diese Spannungserzeugung findet in allen Kraftwerken Anwendung und ist somit die wichtigste in der Energiewirtschaft. Bei Windkraftanlagen wird zunächst auch Drehstrom erzeugt, dieser dann aber gleichgerichtet und dann mit Wechselrichtern netzsynchron wieder in Drehstrom umgewandelt und schließlich in das Netz eingespeist.
Weitere Anwendungen dieses Prinzips der Induktion durch Bewegung sind die Wiedergabe bei allen Audio- und Video-Bandgeräten oder beim magnetischen Tonabnehmer einer Schallplatte und auch das Auslesen der Festplatte oder einer Diskette beim Computer.
Animationen dazu siehe mit den didactronic-Programmen
"drehstro.exe" und "wechsel.exe" und unter:
http://www.zum.de/dwu/depotan/apem112.htm

Drehstromgenerator
2. chemische Spannungserzeugung
Zwischen zwei unterschiedlichen Leitermaterialien, die sich in einem Elektrolyt befinden, entsteht eine elektrische Spannung.
Die Größe der Spannung ergibt sich aus der elektrochemischen Spannungsreihe.

Beispiel: Zink-Kohle-Element => Zink: - 0,76 V und Kohle: + 0,74 V
Daraus ergibt sich eine Differenzspannung von 1,5 V.

Es gibt nicht wiederaufladbare Primärzellen und wiederaufladbare Sekundärzellen, sog. Akkumulatoren.

.1 Die Monozelle Kohle-Zink
* positive Elektrode => Kohlestab C
* negative Elektrode => Zink Zn
* Spannung => 1,5V
* Innenwiderstand ca. 0,9Ω
* Elektrolyt => eingedickte Salmiaksalzlösung NH4Cl
An der Elektrode mit dem edleren Material, hier Kohle, entsteht immer
der(+)-Pol. Am unedleren Metall entsteht der (-)-Pol.
Bei der Entladung löst sich die unedlere Elektrode auf und geht in Lösung. Das Ende der Zelle ist jedoch nicht die totale Auflösung der unedleren, negativen Elektrode, sondern die sog. Polarisation. Die positiven H-Ionen nehmen über den äußeren Stromkreis an der positiven Elektrode je ein Elektron auf und werden zu Wasserstoff. Um die positive Elektrode befindet sich als Oxidationsmittel Braunstein MnO2. Dieser gibt Sauerstoff ab und der Wasserstoff bindet sich zu Wasser. Ist die Aktivität des Depolarisators Braunstein erschöpft, so bildet sich an der positiven Elektrode gasförmiger Wassersstoff H2. Dieser isoliert (polarisiert) die positive Elektrode mehr und mehr. Der Innenwiderstand der Zelle steigt, der Stromfluss nimmt ab und die Zelle ist entladen. Durch Erwärmung kann man den Braunstein nochmals aktivieren binden, so dass der Wasserstoff zu Wasser wird und die Zelle wird wieder aktiviert. Dieser Vorgang funktioniert aber nur ein- oder zweimal. Dann ist die Zelle entgültig polarisiert und damit entladen. Eine Ladung mit einem Ladegerät ist unsinnig und führt allenfalls zur totalen Zerstörung.

.2 Die Alkaline-Mangan-Zelle
Aufbau:
Die Alkali-Mangan-Zelle ist eine Zink-Braunstein-Zelle
* negative Elektrode => Zink Zn
* positive Elektrode => ManganDioxid (MnO2, Braunstein)
* Elektrolyt => konzentrierte Kalilauge (KOH)
* Spannung => 1,5V
* Innenwiderstand ca. 0,2Ω
Eigenschaften:
Aufgrund höherer Kapazität, kleinerem Innenwiderstand, damit größerer Strombelastbarkeit und längerer Lagerfähigkeit hat sie die Zink-Kohle-Batterie aus vielen Anwendungen verdrängt. Wie das Zink-Kohle-Element lässt sich auch diese Zelle sich nicht wieder aufladen, siehe dazu auch
=> http://de.wikipedia.org/wiki/Alkali-Mangan-Batterie

.3 Zink-Quecksilberoxid-Zellen
* positive Elektrode => Quecksilberoxid HgO
* negative Elektrode => Zink Zn
* Elektrolyt => Kalilauge KOH
* Spannung ca. 1,4V
* Innenwiderstand ca. 1Ω
* sehr lange Lebensdauer
* sehr gute Spannungskonstanz über die Lebensdauer
* vor allem als Knopfzellen in Uhren, Taschenrechner, Kameras

.4 Der Blei-Akkumulator
Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab:
Positive Elektrode: PbO2 + SO4- - + 4 H3O+ + 2 e- ⇒ PbSO4 + 6 H2O
Negative Elektrode: Pb + SO4- - ⇒ PbSO4 + 2 e-
Am negativen Pol werden Elektronen abgegeben und am positiven Pol werden Elektronen aufgenommen.
Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab.
Die Gesamtreaktion:
2 PbSO4 + 2 H2O + elektrische Energie ⇐⇒ Pb + PbO2 + 2 H2SO4
⇒ = Aufladung    und    ⇐ = Entladung
Spannung => 2,0V
siehe dazu auch: http://www.omega.it/b/bl/bleiakkumulator.html
und http://www.dvddemystifiziert.de/batterien/carfaq2.html

.5 Nickel-Cadmium-Akku (NiCd)
NiCd-Akkus enthalten das giftige Schwermetall Cadmium und müssen daher über besondere Rücknahmesysteme gesondert entsorgt werden. Ausserdem ist EU-weit seit 2004 der weitere Vertrieb untersagt. Wegen der schlechten Ersatzbeschaffung anderer Akkus für bestehende Geräte sind noch Ausnahmen zugelassen
Aufbau:
* positive Elektrode => Cadmium Cd
* negative Elektrode => Nickelhydroxid NiOOH
* Elektrolyt => 20%ige Kalilauge KOH
Eigenschaften:
* Nennspannung => 1,2V
* kleiner Innenwiderstand, daher große Ströme
* Entladeschlussspannung ca. 0,85V .... 0,9V
* Nachteil =>Memory-Effekt, d.h. wenn oft nur Teilentladung, dann bleibt
  nur die genutzte Teilkapazität erhalten. Der Akku verliert immer mehr
  an Kapazität.
Wirkungsweise:
An der negativen Elektrode wird Cadmium zu Cadmiumhydroxid (Cd(OH)2) oxidiert. Die freiwerdenden Elektronen fließen dann über den Verbraucher zur positiven Elektrode. Dort wird das Nickel(III)-oxidhydroxid NiOOH zu Nickel(II)hydroxid Ni(OH)2 reduziert.

.6 Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMh)
* positive Elektrode => Nickeloxidhydrat Ni(OH2) in Nickelfolie
* negative Elektrode   => Metallhydrid-Pulver, in Kunststoff-Lochfolie
* Elektrolyt => 20%ige Kalilauge KOH
* Spannung 1,32V
   siehe dazu auch
   http://de.wikipedia.org/wiki/Nickel-Metallhydrid-Akkumulator


elektrochemische Spannungsreihe
Metall Nichtmetalle Potential
  Fluor (F) + 2,85 V
Gold (Au)   + 1,50 V
Platin (Pt)   + 1,2 V
Silber (Ag)   + 0,80 V
Quecksilber (Hg)   + 0,79 V
  Kohle (C) + 0,74 V
Kupfer (Cu)   + 0,35 V
Wasserstoff (H)   0 V
Blei (Pb)   - 0,13 V
Zinn (Sn)   - 0,14 V
Nickel (Ni)   - 0,25 V
Cadmium (Cd)   - 0,40 V
Eisen (Fe)   - 0,44 V
Chrom (Cr)   - 0,56 V
Zink (Zn)   - 0,76 V
Mangan (Mn)   - 1,07 V
Aluminium (Al)   - 1,67 V
Magnesium (Mg)   - 2,34 V
Lithium (Li)   - 3,04 V


Monozellen Kohle-Zink und Alkaline-Zelle


Aufbau eines Kohle-Zink-Elements


Der Blei-Akkumulator


Aufbau eines Kfz-Bleiakkus 12V

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