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! DIE offizielle ! ! ! ! ############## ###### ###### ! ! ### ### ### ### ### ! ! ### ### ### ### ### ! ! ### ## ## ### ### ! ! ### ### ### ### ### ! ! ########### ############ ### ### ! ! ### ### ### ### ### ! ! ### ### ### ### ### ! ! ### ### ### ### # ### ! ! ### ### ### ### ### ! ! ### ### ### ###### # ! ! ! ! der ELEKTRONIK.GER ! ! (Frequently Asked Questions = Oft gestellte Fragen) ! ! ! *===========================================================================* Erstellt und erarbeitet von Jonny Dambrowski - FAQ Keeper der Elektronik.Ger erstellt am : 01.05.95 Ich uebernehme keinerlei Haftung fuer die Richtigkeit der Angaben. Inhalt 1. Allgemeines 2. Beschreibung - Elektrolyt 3. Beschreibung - Galvanisches Element 4. Chemische Spannungsreihe 5. Arbeitsweise einer Zink-Kohle Batterie 6. Definition: Primaerelement, Sekundaerelement 7. Wichtige Kenngroessen von Primaer -und Sekundaerelementen 7.1 Leerkaufspannung 7.2 Innenwiderstand 7.3 Klemmspannung 7.4 Lebensdauer 7.5 Kapazitaet 7.6 Lade -und Energiewirkungsgrad 7.7 Nennstrom C Die hier aufgefuehrten Ausfuehrungen beziehen sich nur auf allgemeine Sachverhalte des Primaerelementes bzw. Akku. Man soll sich hier nur einen Ueberblick verschaffen. Es ist wenig Sinnvoll gleich mit der Arbeitsweise eine NiMh-Akkus anzufangen, wenn man nicht die Arbeitsweise und Grundgroessen der Batterie kennt. 1: Allgemeines ------------ Man unterscheidet zwischen Primaerelementen und Sekundaerelementen. Primaerelement: zu ihnen gehoeren galvanische elemente und ihr modernen Nachkommen - die Trockenbatterien. Sie wandeln Chemische Energie in elrektrische Energie um. Akkumulatoren sind dagegen Sekundaerelemente. die die elektrische Energie in Chemische Energie umwandeln, speichern und bei Bedarf wieder in elektrische Umwandeln. Akkus koennen bis zu mehreren 100 mal Auf-und Entladen werden. Wichtige Sammler sind: Blei-Sammler, Nickel-Eisen-Akku, Nickel-Cadmium Sammler und Nickel-Metallhydrit-Sammler. Oft verwendendete Namen fuer Akkumulatoren sind Sammler, Sekundaerelement oder ganz einfach Batterie. Um das Prinzip des Akkus genau zu verstehen, halte ich es fuer notwendig ersteinmal das Primaerelement zu erleutern. 2: Elektrolyt: ----------- Reines Wasser ist ein guter Isolator. Das Wasser welches in der Natur vorkommt erthaelt seine Leitfaehigkeit durch Minerlae und Salze. Erhoeht man die Salzkonzentration durch Zugabe von Kochsalz (NaCl), so steigt die Leitfaehigkeit des Wassers an. Beim Aufloesen zerfaellt naemlich jedes NaCl- Molekuel in positiv geladene Na+ Ionen und negativ geladene Cl- Ionen. Diese sind nun freibewegliche Ladungstraeger und koennen somit den Landungstransport uebernehmen. Eine solche Substanz nennt man Elektrolyt. - + ____o U=15V o____ ¦E2| | E1 ¦ ¦--¦-----------------¦----¦ ¦ ¦ + ¦ ¦ ¦ ¦ <-Na - ¦ ¦ ¦ ¦ Cl-> ¦ ¦ ¦ ¦ NaCl ¦ <-¦---Elektrolyt = in H2O aufgeloestes NaCl ------------------------ E1 = Elektrode 1 E2 = Elektrode 2 Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes (angelegte Spannung) wandern die negativ geladenen Cl- Ionen zum Plus-Pol und die positive Na+ Ionen zum Minuspol der Batterie. Elektrolyten entstehen auch, wenn man dem Wasser Saeuren oder Basen zugibt. Loest man z.B. Schwefelsaeure H2SO4 in Wasser, so spaltet sich die Saeure in positiv geladene H+ Ionen und negativ geladene SO4- Ionen auf. Loest man dagegen die Base Kaliumhydroxid KOH in Wasser, so bilden sich positive K+ Ionen und negative OH- Ionen. Das Ergebnis ist Kalilauge. Die Sauredichte kann z.B. ein Mass fuer den Ladezustand eines Akkus sein. 3: Galvanisches Element ------------------- Werden zwei aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Elektroden in ein elekrische leitende Fluessigkeit (genannt Elektrolyt) gebracht, so tritt durch chemische Vorgaenge eine Ladungstrennung (Ladungsverschiebung) auf. Es "wandern" hier von der unedleren Elektrode positive Ionen (Kationen) in das Elektrolyt. Dabei entsteht an dieser Elektrode ein Elektronen- ueberschuss. Ein Elektronenueberschuss bedeutet eine negative Ladung. Folglich wird diese Elektrode zum Minuspol des galvanisches Elementes. Andererseits "wandern" aber positive Ionen (Anionen) aus dem Elektrolyt zu der Elektrode aus dem edleren Material. Dadurch tritt an dieser Elektrode eine Elektronenmangel auf, d.h. sie ist postitiv galaden. Die aus dem edleren Material bestehende Elektrode wird somit zum Pluspol des galvanisches Elementes. Elektronenueberschuss an der einen und Eletronenmangel an der anderen Elektrode bedeutet aber eine Ladungsdifferenz , also eine Spannung. 4: Chemische Spannungsreihe ------------------------ Die hoehe der anliegenden Spannung ist im wesentlichen abhaengig von den verwendeten Elektrodenmaterialen, aber auch vom Elektrolyt. Die hoehe Spannungen koennen mit Hilfe einer Elektrochemischen Spannungsreihe bestimmt werden. ------------------------------------------------------------------------- ¦ Werkstoff ¦ Spannung ¦ Werkstoff ¦ Spannung [V] ¦ ------------------------------------------------------------------------- ¦ Lithium ¦ -3,02 ¦ Cadmium ¦ -0.40 ¦ ¦ Barium ¦ -2,80 ¦ Nickel ¦ -0.23 ¦ ¦ Calcium ¦ -2,76 ¦ Zinn ¦ -0,14 ¦ ¦ Natrium ¦ -2.71 ¦ Blei ¦ -0,12 ¦ ¦ Strontium ¦ -2,70 ¦ Wasserstoff ¦ 0,00 ¦ ¦ Magnesium ¦ -2,34 ¦ Kupfer ¦ +0,35 ¦ ¦ Aluminium ¦ -1,67 ¦ Kohle ¦ +0,74 ¦ ¦ Mangan ¦ -1.07 ¦ Silber ¦ +0,80 ¦ ¦ Zink ¦ -0,76 ¦ Quecksilber ¦ +0,81 ¦ ¦ Chrom ¦ -0.56 ¦ Platin ¦ +0,86 ¦ ¦ Eisen ¦ -0,44 ¦ Gold ¦ +1,40 ¦ ------------------------------------------------------------------------- Stoffe, die gegenueber der Wasserstoffelektrode eine positive Spannung aufweisen, werden edle, alle mit einer negativen Spannung werden als unedle Stoffe bezeichnet. Bsp.: Ausgangsspannung eines Zink-Kohle-Element. Aus der Tabelle geht hervor: Zink = -0,76 V ; Kohle = +0,74 V Zink ist also das unedlere und Kohle das edlere Element, d.h. die Kohle- elektrode bildet des Pluspol und die Zinkeletrode bildet den Minuspol dieser galvanischen Zelle. Ua = Udiff = U - U = +0,74 - (-)0,76 = 1,5 V Kohle Zink Es koennen auch hoehere Spannungen an Hand der Tabelle ermittelt werden. Hier stellen sich aber hohere Materialkosten und kurze Lebensdauer der hoeheren Spannung gegenueber. 5: Beispiel: Arbeisweiser einer Zink-Kohle Batterie ------------------------------------------------ Es soll ein Zink-Kohle-Element mit dem Elektrolyt Schwefelsaeure H2SO4 untersucht werden. Zink-E Kohle-E ¦ ¦ ¦ ¦ ¦--¦---------------------¦---¦ ¦ ¦ Zn++ ¦ ¦ ¦ ¦ -- H+ ¦ ¦ ¦ ¦ SO4 H+ ¦ ¦ ¦ ¦ H2SO4 ¦ ¦ ---------------------------- Zinkionen (Zn++) loesen aus der Elektrode heraus und lassen Elektronen zurueck. Diese binden sich mit dem negativen SO4-- Ionen des Elektrolyten. Damit wird die Zinkelektrode negativ und die Kohleelektrode positiv. Solange das Element nicht belastet wird, loesen sich nur wenige Zink-Ione. Unter Last werden sie mehr und zersetzen allmaehlich die Zink-elektrode. D.h. jedes voll aufgeladene Primaer -oder Sekundaerelement entlaed sich selbst, ohne das das Element belastet wird Somit wird mit langer Lagerzeit die Batterie immer mehr entladen. Das Elektrolyt verliert bei Stromentnahme seine "Leitfaehigkeit". Der Grund dafuer ist, dass sich die negative Elektrode mit dem Elektrolyt bindet d.h. das z.B. die Zn++ Ionen sich immer mehr mit den SO4-- Ionen binden und somit die Leitfaehigkeit des Elektrolyten sich verschlechtert. Somit erhoet sich auch der Innenwiederstand des Elementes. Desweiteren ueberzieht sich die Kohleelktrode mit Wasserstoffatomen, die aus dem Elektrolyten ausgeschieden werden. Um dies zu verhindern umhuellt man die Kohleelektrode mit Manganoxid MnO2. Diese Schicht liefert fuer den Wasserstoff die Sauerstoffatome damit dieser sich zu Wasser bindet. Den Vorgang nennt man Depolarisation. 6: Definition: Primaerelement und Sekundaerelement -------------------------------------------------- Primaerelement: In allen Primaerelementen wird das unedlere Elektrodenmaterial ,dass positive Ionen an das Elektrolyt abgibt - bei einer Stromaufnaheme immer mehr zersetzt. Durch den vortlaufenden elektrochemischen Zersetzungsprozess verschlechtern sich die Eigenschaften des Elektrolyten. Dieser Vorgang kann nicht wieder rueckgaengig gemacht werden. Er laeuft damit im Primaerelement nur in einer Richtung ab. Jedes Primaerlelement wird durch die Stromentnahme unbrachbar. Sekundaerelement: Bei einem Sekundaerelement sind die elektrochemischen Vorgaenge umkehrbar. (nicht wie beim Primaerelement nur in eine Richtung). Jedes Sekundaerelement muss daher erst von einer anderen Gleichstromquelle geladen werden. Dabei wird elektrische Energie in Chemische Energie umgewandelt und gespeichert. Beim Anschluss eines Verbrauchers wird nun diese gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. 7: Wichtige Kenngroessen von Primaer- und Sekundaerelementen --------------------------------------------------------- Wichtige Kenngroessen von Primar-und Sekundaerelementen sind: Leerlaufspannung Uo, Klemmspannung Uk, Innenwiderstand Ri,Kapazitaet Q, Lebensdauer und Temperaturverhalten, Ladewirkungsgrad/Energiewirkunsgrad und entnehmbarer Nennstrom (C). 7.1 Leerlaufspannung Uo. Dies ist die Ausgangsspannung der Zelle im unbelasteten Zustand. Sie ist rein von der chemischen Spannungsreihe abhaenig, D.h. bei Zink-Kohle-Element = 1.5 V (siehe oben Tabelle) Sie kann mit einem hochohmigen Messgeraet ermitteln werden. 7.2 Innenwiederstand Ri Jede Spannungsquelle besitzt einen Innenwiderstand Ri. Bei Primaerelementen wird er im wesentlichen gebildet, durch den Widerstand , den der Elektrolyt der Bewegung der positiven Ionen entgegensetzt. Damit ist der Innenwiderstand auch von Zustand des Elektrolyten abhaengig. Anders ausgedrueckt: je hoeher die Konzentration des Elektrolyten, desto geringer ist der Widerstand Ri und desto beweglicher sind die Ionen. Da sich dieser Zustand waeherend der Betriebsdauer verschlechtert, ist der Innenwiderstand des Primaerelementes nicht konstant. Sein Wert wird mit zunehmender Entladung der Batterie groesser. Bei neuen Primaerelementen liegt der Innenwiderstand in der Groessenordnung von etwas 5-100 mOhm. 7.3 Klemmspannung Uk. Bei Belastung mit einem Verbraucher z.B. Gluehlampe, stellt sich immer eine kleinere Ausgangsspannung ein wie die Leerlauf- ausgangsspannung. Diese Spannung heisst Klemmspannung Uk. Die Ursache fuer die Spannungsdifferenz liegt am Innenwiderstand Ri. Je hoher Ri, desto groesser ist die Differenzspannung aus Uo-Uk, oder anderes ausgedrueckt, je hoeher Ri, desto kleine Uk. Daher sollte eine Konstant- spannungsquelle immer einen kleinen Ri haben. Man kann sich die Spannungsdifferenz ebenfalls erklaeren, wenn man das Ersatzschaltbild einer Spannungsquelle (Galvanisches Element/Akku) anschaut. ___________o________ | | | | ## Ui | ## Ri ## | | ## Rl + |----- Uk ## ------- | | | --- Uo | | | | | | |____|______o_______| Bei dem Ersatzschaltbild einer Batterie ist das Primaerelement/Akku aufgeteilt in eine ideale Spannungsquelle mit der Leerlaufspannung Uo und dem Innenwi- derstand Ri. Wird ein Verbraucher an der Batterie angeschlossen, so fliesst der Laststrom auch durch den Ri und es entsteht durch die Reihenschaltung von Ri und Rl eine Spannungsteilung der Leerlaufspannung. Durch diese Spannungsaufteilung ist die Klemmspannung Uk stets kleiner als Uo. Desweiteren ist aus dem Ersatzschaltbild zu erkennen, das die Klemmspannung auch von der Groesse der Lastwiderstandes abhaengig ist. Je kleiner Rl, desto kleiner die Uk. 7.4 Lebensdauer; Mit fortschreitenderm Abbau der negativen Elektrode und des Elektrolyten wird der Wert des Innenwiderstandes einer Batterie groesser. Als Folge davon wird die Klemmenspannung Uk auch bei gleichen Lastwiderstand immer kleiner. Zur Angabe der Lebensdauer einer Batterie wird von den Herstellern daher eine untere Spannungsgrenze festgelegt. Sie betraegt in der Regel 50 % der angebenen Nennspannung. Die Lebensdauer einer Batterie ist um so kleiner, je niderohmiger der Lastwiderstand, je groesser der Laststrom und je hoher die Temperatur ist. (Bei hohen Temperaturen ist die Selbstentladung ebenfalls sehr hoch). 7.5 Kapazitaet Q Die Kapazitaet einer Batterie haengt von seinem inneren Aufbau , seiner Baugroesse, Temperatur, Konezentration des Elektrolyten, Entladespannung aber auch von seinem Entladestrom ab. Die Kapazitaet ist um so groesser, je groesser die chemisch umwandelbare Stoffmenge ist. Je hoeher der Entladestrom, desto geringer wird die aus einem Akku entnehmbare Elektrizitaetsmenge. Das liegt daran, dass bei hohen Entladestroemen sich auf den Elektroden Gasblaeschen bilden, die aufgrund der nun geringeren Flaeche die Reaktionsfaehigkeit vermindern. 7.6 Energiewirkungsgrad / Ladewirkungsgrad Die in einem Akku hinzugefuegte elektrische Energie gibt er nicht wieder vollstaendig ab. Den entsprechenden Bruchteil nennt man Wirkungsgrad. Die Einheit ist % . entnommene Elektrizitaetsmenge Ladewirkungsgrad = ------------------------------- zugefuehrte Elektrizitaetsmenge Der Ladewirkungsgrad liegt zwischen 70% und 85%. nAh = Qab / Qzu entnommene Energie Energiewirkungsgrad = ----------------------- zugefuehrte Energie nWh = Wab / Wzu 7.7 Nennstrom C. Angaben von C/20 oder 2C beziehen sich auf Bruchteile bzw. Vielfache des Nennstromes. Beispiel: Bei einer Kapazitaet von 1000mAh (=1Ah) betraegt der Nennstrom 1A. Entladestroeme gibt man haeufig in Bruchteilen davon an, z.B. C/20 = 50 mA; Beim Schnelladen nennt man das Vielfache von C, in diesem Fall z.B. 2C = 2A.
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