Alle Kategorien
Suche

Galvanische Spannungsquellen - Hinweise zur Anwendung

Galvanische Spannungsquellen werden von Ihnen verwendet, wenn eine ortsbewegliche Stromversorgung notwendig ist. Sie bestehen aus unterschiedlichen Materialien und sind in verschiedenen Voltstärken im Handel erhältlich.

Batterien sind galvanische Elemente.
Batterien sind galvanische Elemente.

Was Sie benötigen:

  • Gefäß
  • Metallplatten aus Zink und Kupfer
  • Schwefelsäure
  • Stromkreis
  • Glühlämpchen

Galvanische Spannungsquellen kennenlernen

  • Galvanische Spannungsquellen lernen Sie im Physikunterricht innerhalb der Elektrizitätslehre kennen. Die Funktionsweise kann durch einen Versuch leicht dargestellt werden. 
  • Stellen Sie eine Zink- und eine Kupferplatte in ein Gefäß und füllen Sie dieses mit Schwefelsäure auf, so leuchtet ein in den Stromkreis geschaltetes Glühlämpchen auf, wobei das Leuchten nach kurzer Zeit schwächer wird und schließlich ganz erlischt. Sie erkennen daraus, dass die beiden Platten und die Säure eine Spannungsquelle darstellen.
  • Die Erklärung für diesen Vorgang liegt darin, dass sich das Metall einer Platte in dem Elektrolyt auflöst und seine Atome als positive Ionen in die Lösung gehen. Die Platte selbst wird von den zurückbleibenden Elektronen negativ geladen. Sie nennen das in Zersetzung gehende Metall unedel, das andere edel.
  • Dem edlen Metall werden durch die Lösung Elektronen entzogen, es wird daher positiv. Verbinden Sie die Platten leitend, so können sich die Ladungen ausgleichen. Es fließt ein Strom, der im Versuch die Lampe zum Glühen bringt. Sie nennen diese Spannungsquellen, die aus einem Elektrolyten und zwei Elektroden aus verschiedenen Leitern bestehen, galvanische Elemente.
  • Edlere Metalle bilden in galvanischen Elementen stets den +Pol, unedlere den -Pol. Die entstehende Spannung ist unabhängig von der Größe und der Anordnung der Platten und nur bedingt durch ihre chemische Zusammensetzung. Ordnen Sie die Metalle so in einer Folge an, dass jedes folgende gegenüber dem vorhergehenden positiv wird, so erhalten Sie die elektrochemische Spannungsreihe.
  • Sind zwei Metalle oder auch Metalllegierungen miteinander verbunden, bilden sie mit der Luftfeuchtigkeit kleine Elemente, und das unedlere Metall wird langsam zersetzt. Sie nennen diesen Vorgang elektrolytische Korrosion. Er tritt besonders bei Stahl- und Zinkblechen auf, die durch einen Elektrolyt mit einem edleren Metall, vor allem Kupfer, leitend verbunden sind wie beispielsweise bei Rohleitungen.
  • Wie Sie nun wissen, gehen bei den galvanischen Elementen stets positive Ionen des unedleren Metalls der Katode in den Elektrolyten. Die Metallionen gehen mit den Ionen des Elektrolyten Reaktionen ein, wobei meist positive Wasserstoffionen frei werden, die sich an der Katode abscheiden. Dabei überzieht sich diese mit einer Wasserstoffhaut, und das galvanische Element bildet sich nicht mehr zwischen dem ursprünglichen Metall der Anode, sondern mit Wasserstoff. 
  • Sie nennen diese Reaktion Polarisation, wobei die Spannung und die Stromabgabe des Elements stark abnehmen. Durch diesen Vorgang erlischt in Ihrem Versuch das Glühlämpchen und lässt sich nur vermeiden, wenn der entstehende Wasserstoff durch Oxidation unschädlich gemacht wird.

Elektrochemische Vorgänge an aktiven Zweierpolen erklären und anwenden

  • Je weiter die zwei verschiedenen, leitenden Platten in der Elektrolytlösung auseinanderstehen, desto größer ist die entstehende Spannung. Galvanische Spannungsquellen sind für Sie nur dann brauchbar, wenn solche Elemente eine Spannung von mindestens einem Volt auch bei der Entnahme von größeren Strömen längere Zeit liefern.
  • Sie nutzen beispielsweise bei Taschenlampen das Kohle-Zink-Element. Sein negativer Pol ist ein Zinkbecher, sein positiver Pol ein Kohlestab. Als Elektrolyt dient eine Lösung aus Ammoniumchlorid. Es wird Trockenelement genannt, wenn die Elektrolytlösung durch Mehl oder Stärke eingedickt wird und das Element außen gut abgedichtet ist.
  • Damit der während des Stromflusses entstehende Wasserstoff keine Polarisation hervorrufen kann, befindet sich im Inneren des Kohle-Zink-Elements Braunstein, der leicht Sauerstoff abgibt und damit den Wasserstoff zu Wasser oxidiert. Die Spannung beläuft sich auf 1,5 Volt.
  • Benötigen Sie für tragbare Geräte höhere Spannungen, benutzen Sie Spannungsquellen, bei denen mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet sind. Dazu eignen sich die Flachzellen, bei denen alle Einzelteile, die Elektronen, der Elektrolyt, der Braunstein und die Isolation die Form von flachen Platten haben. Diese Flachzellen können Sie stapeln und ohne Löten leitend verbinden.
  • Alkalische Zellen, die sich in Quecksilberoxid- und Silberoxidzellen aufteilen, benötigen Sie für kleine tragbare Geräte wie beispielsweise Uhren, Taschenrechner, Fotoapparate oder Filmkamaras. Dabei dient gepresstes Zinkpulver als Katode und Quecksilberoxid oder Silberoxid als Anode und gleichzeitigem Depolarisator. Als Elektrolytlösung wird Kalilauge verwendet.
  • Sie werden bemerken, dass diese Zellen teurer als andere Trockenzellen sind. Sie haben aber in ihrem kleinen Volumen einen relativ großen Energieinhalt, und die Entladespannung bleibt im weiten Bereich konstant. Die Leerlaufspannung liegt zwischen 1,35 Volt bei Quecksilber und 1,85 Volt bei Silberoxid.
  • Beachten Sie, dass die bisher genannten verbrauchten Elemente nicht wieder aufgeladen werden können. Beim Akkumulator, auch Sammler genannt, können dagegen die während des Entladens vor sich gehenden Veränderungen wieder rückgängig gemacht werden. Sie werden daher auch als Sekundärelement bezeichnet.
  • Im Bleisammler überziehen sich die Platten einer Zelle beim Entladen in der verdünnten Schwefelsäure mit Bleisulfat. Während des Aufladens wird die Katode durch den entstehenden Wasserstoff zu metallischem hellgrauem Blei reduziert, die Anode zu braunem Bleioxid oxidiert. Sie sollten wissen, dass dabei Schwefelsäure erzeugt wird, sodass die Lösung eine höhere Konzentration enthält. Damit ändert sich auch ihre Dichte. Die Entladespannung beträgt je Zelle im Mittel zwei Volt.
  • Neben dem Bleisammler können Sie auch den Nickeleisensammler verwenden. Er ist gegen Überlastung unempfindlicher als der Bleiakkumulator. Dagegen ist sein Wirkungsgrad kleiner. Die Spannung beträgt je Zelle etwa 1,2 Volt.
Teilen: