Elektrische Grundgrößen

Elektrizitätslehre

Elektrische Grundgrößen

  • Was bedeuten eigentlich Volt …
  • … und Ampère?
  • … und was hat es mit dem OHMschen Gesetz auf sich?
  • Wie funktionieren elektrische Messgeräte?

Gefahr durch Strom

Stromwirkungen auf den Menschen

  • Herzschädigungen: Arhythmien, reversibler Herzstillstand und Herzkammerflimmern. Letzteres ist besonders gefährlich, da es bereits bei kleinen Stromstärken eintreten kann und durch die üblichen Wiederbelebungsmaßnahmen nicht beeinflusst werden kann.
  • Atemstörungen: Bestimmte Stromstärken führen zur Verkrampfung der Atemmuskulatur.
  • Verbrennungen: Große Stromstärken können lebensgefährliche Verbrennungen verursachen.
  • Nierenschäden: Als Spätfolge ist noch nach vielen Stunden ein Nierenversagen möglich.
  • Nervenschäden: Bewusstlosigkeit, Dauerschäden.
  • Muskulaturverkrampfung: Ein Verkrampfen der Muskulatur bewirkt, dass die Stromquelle nicht mehr losgelassen werden kann. Dadurch wirkt der Strom länger ein, die anderen genannten Schädigungen werden dadurch entsprechend schlimmer.
  • Schock: Ein Stromschlag kann einen Schock hervorrufen. Ein Schock kann tödlich sein.

Du kannst dir einen Zeitungsbericht über einen Stromunfall in der Schweiz einblenden lassen, der die Auswirkungen eines noch glimpflich ausgegangenen Stromunfalls eindrucksvoll schildert.

Stromstärke und Einwirkungsdauer

  • Die Größe der Stromstärke im Körper hängt von der Spannung zwischen den Berührstellen und dem Körperwiderstand ab.
  • Der Körperwiderstand sinkt mit steigender Spannung.
  • Der Körperwiderstand hängt davon ab über welche Strecken der Strom fließen kann:
Stromweg
Körperwiderstand (minimal)
Hand - Hand
ca. 650Ω
Hand - Fuß
ca. 1300Ω
Hand - Füße
ca. 975Ω
Hände - Füße
ca. 650Ω
  • Der Hautwiderstand beträgt einige Tausend Ohm, kann bei hohen Spannungen aber bis auf Null absinken.

Bereich 1:
Wechselströme in diesem Bereich werden von den meisten Menschen gar nicht wahrgenommen.
Bereich 2:
Es ist ein Kribbeln zu spüren, auch schmerzhafte Verkrampfungen sind möglich. Direkte Schäden sind kaum zu befürchten.
Bereich 3:
Die Stromquelle kann auf Grund von Muskelverkrampfung nicht mehr losgelassen werden.
Bereich 4:
Schwere Schädigung und häufig tödliche Stromwirkung , z.B. durch Herzkammerflimmern.

Erste Hilfe

  • Person von der Stromquelle trennen. Dazu Stromquelle ausschalten und Person von der Stromquelle entfernen. NICHT anfassen, sonst gibt es eventuell zwei Opfer.
  • Danach die üblichen Erste-Hilfe-Maßnahmen einleiten.

Haushalt

  • Keine Elektrogeräte aus der Badewanne oder Dusche bedienen.
  • Elektrogeräte von Badewanne, Dusche, Waschbecken immer fernhalten.
  • Stecker nicht am Kabel herausziehen, Kabel nicht beschädigen.
  • Keine Geräte, die selbst oder deren Zuleitung beschädigt ist, anschließen.
  • Nicht selbst an Elektroanlagen und -geräten arbeiten.
  • Bei Kindern im Haus Steckdosen sichern.

Im Freien

  • Keine Drachen oder Luftballons in der Nähe von Hochspannungsleitungen steigen lassen.
  • Bei umgestürzten Masten oder herunterhängenden Leitungen großen Abstand halten.

Eisenbahn

  • Die Fahrleitung führt 15.000 Volt Spannung.
  • Keine Drachen oder Luftballons in der Nähe von Fahrleitungen steigen lassen.
  • Bei Gärten neben Bahngleisen: Vorsicht mit Leitern und bei Baumschneidearbeiten.
  • Nicht mit Wasser auf die Fahrleitung spritzen oder gar von Brücken auf diese pinkeln.
  • Nicht auf abgestellte Wagen klettern, bei zu geringem Abstand zur Fahrleitung kann ein Lichtbogen entstehen.

Stromsicherheit

Der Umgang mit der Elektrizität ist nicht ungefährlich, Berichte über zahlreiche Unfälle bestätigen dies. Daher hat man sich ausführliche Gedanken darüber gemacht, wie man die Sicherheit beim Umgang mit elektrischen Geräten gewährleisten kann. Aus früheren Kapiteln kennst du bereits die Schmelzsicherung und den Sicherungsautomaten. In diesem Kapitel stellen wir dir zunächst ganz allgemeine Sicherheitsvorkehrung und dann das sogenannte Schuko-System vor. Bilder und auch Textteile stammen von einer Webseite des Bayerischen Landesamts für Sicherheit am Arbeitsplatz.

Allgemeines zur Stromsicherheit

Abb. Basteln an Elektrogeräten
Basteln an elektrischen Geräten
niemals, solange sie unter Spannung stehen oder kurz zuvor standen.
Deshalb:
Erst den Netzstecker ziehen und bei elektronischen Geräten etwas warten.
Arbeiten an spannungsführenden Teilen oder in deren Nähe sind grundsätzlich verboten!
Nur der Elektrofachmann darf in Einzelfällen davon abweichen, dabei muss er aber genaue Sicherheitsregeln einhalten.
  Reinigen von Geräten
mit Elektroanschluss:
Erst den Stecker ziehen, dann das Gerät reinigen.
Abb. Reinigung von E- Geräten
         
Abb. Kind an Steckdose 1
Kleinkinder
Hoffentlich ist eine Steckdosensicherung drin.
Solange kleine Kinder im Haus sind, sollten alle Steckdosen durch eine Kindersicherung gesichert werden, nicht nur einige.
 
Defekte Elektroinstallationen
sofort vom Fachmann reparieren lassen!
Zu groß ist die Gefahr, dass jemand spannungsführende Teile berührt.
Hier bedeutet die herausgerissene und halb demontierte Steckdose Lebensgefahr, ganz besonders für Kinder.
Abb. Kind an Steckdose 2
Abb. geflickte Kabel 1
Beschädigte elektrische Kabel
dürfen nicht mehr verwendet werden.
Im Freien ist die Gefahr besonders groß. Wenn man die beschädigte Stelle berührt, fließt der Strom über die Hand durch den Körper in den Boden. Das bedeutet akute Lebensgefahr.
Mit Isolierband zu flicken ist unzulässig, oft findet der Strom trotzdem einen Weg, vor allem, wenn dies durch Feuchtigkeit begünstigt wird.
Abb. geflickte Kabel 2

 

Warum ist der elektrische Strom für den Menschen gefährlich?

Der Körper steuert seine Funktionen durch sehr schwache elektrische Ströme, welche über die Nerven weitergeleitet werden. So macht man z.B. die elektrischen Ströme des Herzens im EKG oder die des Gehirns im EEG sichtbar. Wenn nun ein Strom von außen den Körperströmen überlagert wird, kommt es zu Fehlfunktionen der angesteuerten Körperorgane, z.B. zur Verkrampfung der Muskeln oder zum lebensgefährlichen Herzkammerflimmern. Die Verkrampfung der Handmuskulatur führt dazu, dass man den stromführenden Gegenstand nicht mehr loslassen kann. Das Herzkammerflimmern bedeutet Ausfall der Herzfunktion als Pumpe und damit Ausfall des Blutkreislaufs. Das Gehirn als empfindlichstes Organ wird ohne Blutversorgung innerhalb kürzester Zeit dauerhaft geschädigt. Schon nach wenigen Minuten tritt der Tod ein.

Schon bei einem Stromdurchfluss des Körpers von nur 0,03 Ampere (= 30mA) während 0,2 Sekunden (= 200ms) oder länger kommt es zu den genannten Erscheinungen.

Zum Schutz vor Stromunfällen müssen deshalb alle stromführenden Teile wie Kabel, Geräte oder Installationen durchgängig isoliert sein. Es ist Sache des Benutzers, darauf zu achten, dass keine Teile mit beschädigter Isolierung benutzt werden. Reparaturen gehören in die Hand des Fachmanns.

Das Schuko-System

Um ein elektrisches Gerät betreiben zu können, müssten eigentlich nur zwei Drähte von der Steckdose zum Gerät führen. Wie du sicher schon einmal gesehen hast befinden sich in den Zuleitungskabeln jedoch fast immer drei Drähte. Dies zeigen dir die folgenden Bildern eines Steckers und einer Steckdose.

"Innenleben" eines Schutzkontakt-Steckers (kurz:Schuko-Stecker)
  • Spannungsführende Drähte: Farben braun (schwarz) und blau
  • Schutzleiter: Farbe grün-gelb,
  • Die Litzen an den Drahtenden sind mit Aderendhülsen verklemmt (Presshülsen). Verzinnen oder einfaches Zusammendrehen sind heute nicht mehr zugelassen.
  • Die Schrauben müssen fest angezogen sein, damit ein sicherer Kontakt hergestellt ist. Ein Wackelkontakt kann zu Funkenbildung mit Wärmeentwicklung führen und Ursache für einen Brand sein!
  • Der grün-gelbe Schutzleiter bildet eine Schleife. Für den Fall, dass das Kabel aus dem Stecker gezogen würde, reißen erst die spannungsführenden Drähte, bevor der Schutzleiter getrennt wird.
  • Zugentlastung des Kabels durch eine festverschraubte Schelle.
Abb. Schukostecker (offen)
Schutzkontakt-Steckdose (kurz: Schuko-Dose):
An den Schutzkontaktsteckdosen befinden sich zwei Metallkontakte: Über diese verbindet der grün-gelbe Schutzleiter (früher rot) metallische Gehäuse nicht schutzisolierter Geräte, z.B. von Bügeleisen, mit dem Schutzleiter der Hausinstallation. Der Schutzleiter leitet im Gefahrenfalle Strom ab und löst bei Kurzschluss die Sicherung aus (siehe Animationen unten).
Abb. "Schuko.Prinzip"

Schaltung von Geräten im Haushalt
In der folgenden Abbildung (Quelle: Staatliche Berufsschule Neu-Ulm) kannst du sehen, wie die Kabelverbindungen zwischen den Steckdosen und einzelnen Geräten im Haushalt gestaltet sind:

Die Abbildung zeigt:

  • Die Geräte im Haushalt sind zueinander parallel geschaltet.
  • Zu den meisten Geräten laufen drei Drähte: der Phasenleiter (Außenleiter), der Nullleiter und der Schutzleiter.
  • Zu einigen wenigen Geräten (in der Skizze zur Stehlampe) laufen nur der Null- und der Phasenleiter.

Zur Erläuterung des Schukosystems haben wir weiter unten zwei Animationen vorbereitet. Mit Hilfe dieser Erläuterung wirst du verstehen, warum es keine Verschwendung ist, wenn man drei Drähte in den Zuleitungen verwendet.


Auf den Schutzleiter kann in den folgenden Fällen verzichtet werden:

Abb. Sicherheitskleinspannung (max. 24V)
Geräte mit Sicherheitskleinspannung
Geräte mit Sicherheitskleinspannung (max. 42 Volt) werden mit so geringer Spannung betrieben, dass auch beim gleichzeitigen Berühren beider Pole kein gefährlicher Stromdurchfluss im Körper entsteht. Für sie gilt daher die Forderung durchgängiger Isolierung nicht.
Sicherheitskleinspannung wird angewendet bei Geräten mit Haut- oder Haarberührung für Menschen oder Tiere sowie bei Klingelanlagen.
Bei elektromotorisch angetriebenem Spielzeug, z. B. Eisenbahnen, darf die Sicherheitskleinspannung 24 Volt nicht übersteigen. Dieses Spielzeug ist mit dem Zeichen Symbol Sicherheitskleinspannung gekennzeichnet.
Schutzisolierte Bohrmaschine (geöffnet)
Geräte mit Schutzisolierung
Schutzisolierte Geräte haben eine zusätzliche isolierende Umhüllung. Sie benötigen deshalb keinen Schutzleiter sowie keine Schutzkontakte am Stecker. Diese Geräte haben einen Flachstecker und im Typenschild das Zeichen Symbol Schutzisoliert für Schutzisolierung.
Die abgebildete Bohrmaschine ist schutzisoliert, weil auch bei einem elektrischen Fehler im Gerät keine Spannung an die Metallteile nach außen gelangen kann (Bohrfutter ist isoliert durch Zahnrad aus Kunststoff).

Erläuterung des Schukosystems

1 Vorgänge bei einem Geräteschluss in einem Stromkreise mit einem Schukosystem

Die Animation in Abb. 1 zeigt zunächst das übliche Aufheizen von Wasser in einem intakten elektrischen Wasserkocher ("Heizen"). Der Strom fließt durch den Phasenleiter (Außenleiter) und durch den Nullleiter (N).

Kommt es dazu, dass die Isolation des Aussenleiters defekt wird und ein Kontakt zum Metallgehäuse des Kochers hergestellt wird ("Geräteschluss"), so entsteht ein zusätzlicher Stromweg, der vom Außenleiter über das Gehäuse und den Schutzleiter (PE: Protection Earth) führt. Der Widerstand in diesem neuen Kreis ist kleiner als im "alten" Kreis mit der Heizwendel. In dem neuen Kreis fließt daher ein so hoher Strom, dass die Sicherung auslöst und den Kocher abschaltet. Dies gelingt aber nur, wenn der Schutzleiter vorhanden ist.

1 Vorgänge bei einem Geräteschluss in einem Stromkreis ohne Schukosystem

Die Animation in Abb. 2 zeigt nun, was bei einem Geräteschluss des Außenleiters passieren würde, wenn keine Schutzleiter vorhanden ist.

Da die Person ähnlich wie der Nulleiter mit der Erde verbunden ist, entsteht - zusätzlich zum alten Stromkreis, der über die Wendel verläuft - ein weiterer Stromkreis bei dem die Person mit einbezogen ist (nur dieser Kreis wird im Weiteren betrachtet). Der Widerstand der Person ist größer als derjenige der Heizwendel, so dass der Strom nicht - wie oben - stark anschwillt und die Sicherung auslöst. Die Stromstärke reicht aber aus, um die Person zu schädigen.

Bei fehlendem Schutzleiter kann es also im Falle des Geräteschlusses zu einem folgenschweren Elektrounfall kommen.

Verschiedene Ströme

Elektronische Armbanduhr
ca. 1mA
Glimmlampe
ca. 2mA
Glühlämpchen
ca. 70mA - 500mA
Glühlampe
ca. 0,1A - 0,6A
Kühlschrank
ca. 0,25A - 0,50A
Farbfernseher
ca. 0,7A
Bügeleisen
2A - 5A
Halogenlampe beim Auto
ca. 5A
Elektroherd
ca. 10A
Anlasser beim Auto
ca. 50A
Strom in Überlandleitung
ca. 0,1kA - 1kA
Elektrolokomotive
ca. 1kA
Blitz
ca. 0,1MA

Verschiedene Spannungen

Empfangsantenne
ca. 10 μV
EKG
ca. 1mV
Thermoelement
ca. 10mV
Zellmembran
ca. 100 mV
Monozelle
1,5 V
Flachbatterie
4,5 V
Fahrraddynamo
ca. 6 V

Spannungsversorgung
beim Auto

12 V

lebensgefährliche
Spannungen

ab ca.
50V

Haushaltsnetz

USA 110 V

Europa 230 V


Drehstromnetz
 
380 V
Bandgenerator
ca. 100 kV
Hochspannungsleitung
bis zu 380 kV
Spannung bei
Beschleuniger
ca. 30 MV
Gewitter
ca. 100 MV

Reibungselektrizität

1 Reiben eines Hartgummistabs mit einem Katzenfell

Schon seit dem Altertum ist die Reibungselektrizität bekannt. Im Unterricht hast du hoffentlich selbst gesehen, dass z.B. bei der Reibung eines Hartgummistabes mit einem Katzenfell, der Hartgummistab geladen wird. Du kannst dies nachweisen, indem du die Ladung des Hartgummistabes an dem Kopf des Elektroskops abstreifst (vgl. Animation in Abb. 1).

Aber auch das Katzenfell ist geladen. Legt man es auf das durch den Hartgummistab aufgeladene Elektroskop, so geht der Ausschlag wieder zurück. Offensichtlich trägt das Katzenfell nach dem Reibprozess die umgekehrte Ladung wie der Hartgummistab.

2 Detaillierte Darstellung der atomaren Vorgänge beim Reiben zweier verschiedenartiger Isolatoren

In der Animation in Abb. 2  sind zwei verschiedenartige Isolatoren detailliert dargestellt. Die Elektronen (blau) sind bei den Isolatoren nicht frei beweglich wie im Metall, sondern in der Regel an die Atome (grau) gebunden.

Nun gibt es bei den Isolatoren solche zu denen die Elektronen eine größere Affinität haben (z.B. Hartgummi) als zu anderen (z.B. die Haare eines Katzenfells).

Bringt man durch Reibung zwei Materialien unterschiedlicher Elektronenaffinität in innigen Kontakt, so gehen Elektronen von dem einen Isolator zum anderen über. Bei dem Isolator mit geringerer Elektronenaffinität bleiben positive Ionen (rosa) zurück.

Insgesamt wird bei diesem Prozess keine neue Ladung erzeugt, es werden nur Ladungen getrennt.

3 Vereinfachte Darstellung der Vorgänge beim Reiben zweier verschiedenartiger Isolatoren

In der Animation in Abb. 3 siehst du diesen Prozess in einer vereinfachten Darstellung, bei der lediglich die getrennten Ladungen symbolisiert sind.

Man kann die Materialien nach ihrer unterschiedlichen Elektronenaffinität aufreihen.

Erläuterung:

Reibt man Glas mit Wolle, so wird nachher das Glas positiv (Elektronenmangel) und die Wolle negativ sein.

Reibt man Teflon mit Katzenfell, so wird nachher das Katzenfell positiv und das Teflon negativ sein.

hohe Elektronenaffinität
Teflon
PVC
Schwefel
Gummi
Wolle
Nylon
Glas
Katzenfell
geringe Elektronenaffinität

Galvanische Zellen und Batterien

Hinweis: Zum Verständnis der Batterien sollte man schon etwas Elektro-Chemie beherrschen. Aber auch ohne "chemische Voraussetzungen" bekommst du von dieser Seite einen Eindrück über die Funktionsweise der Batterien.

Heutzutage dienen Batterien in zahlreichen Geräten (z.B. Belichtungsmesser, Uhr, Taschenlampe, usw.) als Spannungsquelle. Es gibt verschiedenste Batterietypen, von denen hier nur die weit verbreitete Zink-Kohle-Batterie näher besprochen werden soll. Ihr Aufbau geht auf den französischen Chemiker Georges Leclanché (1839 - 1882) zurück. Man bezeichnet eine Zn-C-Batterie auch als eine Primärbatterie, sie kann nur einmal entladen werden und ist dann unbrauchbar.

Batterieabfälle sind unter Umweltgesichtspunkten problematisch. Überlege also stets, ob der Einsatz von Batterien in einem Gerät unumgänglich ist.

von Jerry Crimson Mann, Übersetzung von Andel Früh. [CC-BY-SA-2.5)], via Wikimedia Commons

Die übliche Zink-Kohle-Batterie besteht im wesentlichen aus einem Zinkbecher, in den eine eingedickte Salmiaklösung (NH4Cl) und Braunstein (MnO2) gefüllt sind. In diesem eingedickten Brei - man nennt diesen Batterietyp daher auch Trockenbatterie - steckt ein Kohlestift. Die Spannung einer frischen Zn-C-Zelle beträgt 1,5 V.

Schneidet man eine stark gebrauchte Zn-C-Batterie (z.B. Monozelle) auf, so sieht man, dass der Zinkbecher stark zerfressen ist. Offensichtlich findet bei Stromentnahme eine Zersetzung des Zinks statt. Im Folgenden wird eine möglichst einfache Erklärung für die Wirkungsweise der Batterie gegeben. Dabei soll zunächst auf die Verwendung chemischer Formeln verzichtet werden.

1 Aufbau und Funktionsweise einer Zink-Kohle-Batterie

Die vorgänge in der Zink-Kohle Batterie sind wie folgt:

Das unedle Metall Zink löst sich im Elektrolyten (Salmiak) selbst auf, d.h. die Zinkelektrode gibt Zn++-Ionen ab und lädt sich dadurch negativ auf.

Solange die Zinkelektrode nicht durch einen äußeren Stromkreis leitend mit dem Kohlestift verbunden ist, können die "überschüssigen" Elektronen der Zn-Elektrode nicht abfließen. Die negative Überschussladung der Elektrode verhindert den Austritt weiterer Zn++-Ionen, es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

Die positiven, im Elektrolyten gelösten, Zinkionen laden diesen und den damit leitend verbundenen Kohlestab positiv auf. Es bildet sich eine Spannung von 1,5V zwischen den Elektroden aus.

Wird nun der äußere Stromkreis geschlossen, fließen die Elektronen der Zinkelektrode über den "Verbraucher" zur Kohleelektrode und ziehen dadurch die positiven Ionen zur Kohleelektrode.

Aufgrund der nun abgeflossenen Elektronen ist das Gleichgewicht an der Zinkelektrode gestört, es gehen weiter Zn++-Ionen in Lösung. Dieser Vorgang dauert solange, bis entweder der äußere Stromkreis wieder unterbrochen wird oder der Elektrolyt keine Zn-Ionen mehr aufnehmen kann.

Im folgenden stellen wir dir auch noch eine genauere Beschreibung der chemischen Reaktionen vor. Diese Informationen ist jedoch nur für "Daniel-Düstriebs" geeignet, die sich schon selbständig mit chemischen Formeln vertraut gemacht haben.

Am negativen Pol (Zinkelektrode) kommt es zu folgenden Reaktionen:

Zinkionen lösen sich, die Elektrode wird negativ: \({\rm{Zn}} \to {\rm{Z}}{{\rm{n}}^{ + + }}{\rm{ + 2}} \cdot {{\rm{e}}^ - }\)

Zinkionen reagieren mit dem Salmiak: Zn++ + 2NH4Cl → ZnCl2 + 2NH3 + 2H+

Am positiven Pol kommt es zu folgenden Reaktionen:

Reaktion der Wasserstoffionen und Elektronen, die über den äußeren Kreis zum positiven Pol gelangen, mit Braunstein: 2H+ + 2e- + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O

Somit ergibt sich als Gesamtreaktion:

2NH4Cl + Zn + 2MnO2 → ZnCl2 + Mn2O3 + 2NH3 + H2O

Der maßgebliche Vorgang in der Batterie ist die Elektronenabgabe des Zinks und die Elektronenaufnahme durch das Mangan des Braunsteins. Der Kohlestab hat nur die Funktion, den elektrischen Kontakt zwischen dem äußeren Kreis und dem Braunstein herzustellen.

Im äußeren Stromkreis geschieht der Ladungstransport durch die negativen Elektronen von der Zn- zur C-Elektrode. In der Zelle geschieht der Ladungstransport durch das Wandern der positiven Ionen von der Zn- zur C-Elektrode.

Hinweise

Mit zunehmender Stromentnahme sinkt die Konzentration des Elektrolyten (Salmiak), was ein Absinken der Zellenspannung zur Folge hat. Man benutzt daher zunehmend die Alkaline-Mangan-Zink-Zellen, die im Wesentlichen auf der gleichen Redox-Reaktion basieren, jedoch als Elektrolyten Kalilauge verwenden. Bei diesen Zellen lautet die Gesamtreaktion Zn + 2MnO2 + H2O→ Zn(OH)2 + Mn2O3

Der entscheidende Unterschied zur oben beschriebenen Zink-Kohle-Batterie besteht darin, dass bei den Alkaline-Mangan-Zink-Zellen der Elektrolyt nicht verbraucht wird und somit die Spannung der Zelle fast bis zum Betriebsende \(1,5\rm{V}\) beträgt.

Taucht man eine Zink- und eine Kupferelektrode in verdünnte Schwefelsäure, so hat man das sogenannte Voltaelement, das ziemlich genau die Spannung \(1\rm{V}\) besitzt.

Ausführungsformen von Batterien

teilweise wurden Daten von Wikipedia übernommen

Batterien gibt es für die verschiedensten Anwendungen, in unterschiedlichsten Größen, mit verschiedenen Spannungen (bedingt durch die unterschiedlichen Elektrodenkombinationen) und sehr verschiedenen Lebensdauern.
Schau dich einmal in einem großen Elektronikgeschäft um, dann wirst du sehen wie vielfältig und daher auch unübersichtlich das Angebot ist. Der Einsatz von Batterien ist nicht ganz unproblematisch, da sie nach der Entladung wertlos sind und entsorgt werden müssen. Batterie-Müll gehört zum Sonderabfall und auf keinen Fall in den gewöhnlichen Hausmüll, da er Schwermetalle wie Blei, Cadmium oder auch Quecksilber enthält. Bei unsachgemäßer Entsorgung können die Schadstoffe in die Umwelt gelangen. Sie reichern sich dort an und beeinträchtigen die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen.

Auf dieser Seite werden einige gängige Batterie-Typen mit ihren Bezeichnungen aufgeführt. Für Details musst du die Seiten der Hersteller besuchen.

  • Die Zink-Kohle-Batterie ist preislich sehr günstig, sollte aber für hochwertige elektronische Geräte nicht eingesetzt werden, da der Elektrolyt bei längerem Verbleib im Gerät auslaufen könnte und es so zu einer Zerstörung der Leiterbahnen im Gerät kommen könnte.
  • Die Alkali-Mangan-Batterie zählt inzwischen zu den wichtigsten Batterietypen. Wegen ihrer höheren Kapazität, besseren Belastbarkeit und längeren Lagerfähigkeit hat sie die Zink-Kohle-Batterie bei vielen Anwendungen abgelöst. Die negative Elektrode wird durch Zink, die positive Elektrode Mangandioxid (Braunstein). Als Elektrolyt dient Kalilauge (KOH).

Bezeichnungsweisen
Maße/Aussehen

Spannung

in V

Kapazität (Ladung) in mAh
IEC1
geringe Leistung (Zn-C-Batterie)

IEC1
höhere Leistung (KOH)

ANSI2
Sprachgebrauch
Zn-C
KOH
 
LR 61
AAAA
Mini
1,5
 
500-600
R 03
LR 03
AAA
Micro
1,5
370 - 540
900 - 1250
R 6
LR 6
AA
Mignon
1,5
700 - 1100
2200 - 2850
R 14
LR 14
C
Baby
1,5
1800 -3800
ca. 8000
R 20
LR 20
D
Mono
1,5
4000 - 8000
ca. 20000
2 R 10
 
Duplex
Stabbatterie
3,0
1000 - 1500
 
3 R 12
3 RL 12
 
Flachbatterie
4,5
ca. 2700
ca. 5900
6 F 22
6 LR 61
160 4 D
9V-Pack
9,0
190 - 330
500 - 600

1: International Electrotechnical Commission
2: American National Standards Institute

Neben den größeren Batterien finden für Photoapparate, Hörgeräte, elektrische Uhren usw. sogenannte Knopfzellen Verwendung. Aus der Bezeichnung CR 20 32 kann man etwas über den Aufbau und die Maße der Batterie erfahren:

CR: Lithium-Batterie (3V)
20: Durchmesser 20mm
32: 32·1/19 mm = 3,2 mm

weitere Abkürzungen:
PR: Zink-Luft-Batterie (1,4 V - 1,6 V)
LR: Alkaline-Batterie (1,5 V)
SR: Silberoxid-Batterie (1,5 V)


Von Krzysztof Woźnica [public domain], via Wikimedia Commons

Elektrochemische Spannungsreihe

1 Aufbau und Funktionsweise einer elektrochemischen Spannungsquelle

Die Animation in Abb. 1 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise einer elektrochemischen Spannungsquelle.

Taucht man zwei verschiedene Metalle in einen Elektrolyten, so entsteht dadurch in der Regel eine Spannungsquelle mit einer für die jeweilige Kombination charakteristischen Spannung.

Da das Aufschreiben der Spannungen zwischen allen denkbaren Kombinationen zu aufwändig wäre, gibt man bei der elektrochemischen Spannungsreihe jeweils die Spannung zwischen einem Metall und einer Standard-Wasserstoffelektrode an.

 

 

Element
Au
Hg
Ag
Cu
H2
Pb
Ni
Zn
Mg
Li
Spannung in V
+1,50
+0,85
+0,80
+0,34
0
-0,13
-0,25
-0,76
-2,36
-3,04

Spannung zwischen zwei Elektroden

Will man nun die Spannung eines Elementes wissen, bei dem z. B. eine Kupferelektrode und eine Zinkelektrode in verdünnte Schwefelsäure getaucht wird, so hat man nur die Differenz der in der Reihe angegebenen Spannungen zu bilden:

\(U_{\rm{Cu-Zn}}= + 0{,}34\,\rm{V} - \left(- 0{,}76\,\rm{V}\right) = 1{,}1\,\rm{V}\)

Dies bedeutet, dass die Spannung einer Kupfer-Zink-Batterie etwa ein Volt beträgt.

Anwendung in der Technik

Ein wichtiges Beispiel für den Nutzen der Sapnnungsreihe stammt aus der Schiffstechnik. Schiffsschrauben bestehen häufig aus Sondermessing. Um das gegen Messing unedlere Eisen des Schiffsrumpfes zu schützen, bringt man am Rumpf Zinkplatten an. Diese bilden den negativen Pol, werden mit der Zeit zerfressen und schützen so das Eisen. Durch langsames auflösen des unedlen Metalls und Elektronenübertragung auf das Eisen wird die Oxidation des Eisens solange unterbunden, bis sich das unedle Metall vollständig aufgelöst hat.

Schaltung von Monozellen

Für einen Radiorecorder brauchen Sie mindestens vier (oder fünf) Monozellen. Der Recorder benötigt nämlich eine Spannung von 6V (oder 7,5V) – eine Monozelle hat aber nur 1,5V. Beim Einsetzen der Zellen müssen Sie auf die Polung achten. Die richtige Anordnung ist im Batteriefach angegeben (Bild rechts). In der Abbildung kann man eine leitende Verbindung zwischen dem Pluspol der zweiten und dem Minuspol der dritten Zelle erkennen.
Die Zellen werden also in Reihe geschaltet (zweites Bild). Bei dieser Anordnung durchfließen die Elektronen nacheinander die vier Zellen. Jede dieser Zellen treibt sie an. Also werden die Elektronen viermal so stark angetrieben wie von einer einzigen Zelle. Die Gesamtspannung Uges der vier in Reihe geschalteten Zellen beträgt demnach 4 · 1,5 V = 6 V.

Bei einer Reihenschaltung von Spannungsquellen ergibt sich die Gesamtspannung als Summe der Einzelspannungen:

Uges = U1 + U2 + U3 + U4.


Die dritte Abbildung zeigt eine weitere Möglichkeit vier Monozellen miteinander zu verbinden (Parallelschaltung). Fließt ein Elektron durch die Spannungsquelle, so bewegt es sich immer nur durch eine der vier Zellen. Jedes Elektron wird daher nur von einer einzigen Zelle angetrieben. Daher misst man am Lämpchen nur die Spannung einer Monozelle – nämlich 1,5V.

Eine Batterie aus parallelgeschalteten Zellen hat zwei Vorteile:

  • Mit ihr kann ein Elektrogerät länger betrieben werden als mit einer einzigen Zelle. Jede Zelle treibt ja immer nur einen Teil der Elektronen an; die in einer Zelle gespeicherte Energie reicht daher länger.
  • Sie kann einen größeren Strom antreiben. Um z.B. zwanzig parallelgeschaltete Glühlämpchen (1,5V; 0,15A) zum Leuchten zu bringen, muss die Spannungsquelle einen Strom von 3 A antreiben. Eine einzige Monozelle schafft das nicht.

Fragen und Aufgaben zum Text:

  1. Jemand legt aus Versehen eine von 5 Monozellen falsch herum in das Batteriefach.
    a) Warum funktioniert der Recorder nicht richtig?
    b) Wie groß ist die Gesamtspannung?
  2. Könnte man mit Monozellen eine normale Haushaltsglühlampe zum Leuchten bringen? Begründe deine Antwort. (Nicht ausprobieren – Lebensgefahr!)
  3. Welche Vorteile hat die Monozelle gegenüber der kleineren Mignonzelle?

Akkumulatoren

Hinweis: Diese Seite setzt Chemie-Kenntnisse voraus. Wenn du nicht gerade eine Chemie-Freak bist, werden dir diese fehlen. Aber auch wenn du nur den Text durchliest, bekommst du eine Vorahnung wie Akkumulatoren (Akkus) arbeiten.

Gegenüber den Primärbatterien haben die wiederaufladbaren Batterien (Sekundärbatterien) oder Akkumulatoren (kurz: Akkus) erheblich an Bedeutung gewonnen. Sie werden in Autos, Handys, Discman usw. in vielfältiger Form eingesetzt. Am Beispiel des weit verbreiteten Bleiakkus beim Auto soll das Prinzip dieser wiederaufladbaren Energiequellen erläutert werden.

Genau wie bei der Zink-Kohle-Batterie kommt es zur Spannung zwischen den Elektroden, wenn diese verschiedenartig sind und sich ein Elektrolyt zwischen ihnen befindet.

Entladung des Bleiakkus

Bei neuen Bleiakkus sind die Elektroden bereits verschieden. Eine besteht aus Blei (Minuspol) und eine aus Bleioxid (Pluspol). Als Elektrolyt verwendet man verdünnte Schwefelsäure.

1 Modell der physikalischen Vorgänge beim Entladen eines Bleiakkus

Vorgang am Minuspol:

Pb + SO4-- → PbSO4 + 2e-

Am Minuspol wird Blei in Bleisulfat umgewandelt.

Vorgang am Pluspol:

PbO2 + 4H+ + SO4-- + 2e- → PbSO4 + 2H2O

Am Pluspol wird Bleioxid in Bleisulfat umgewandelt.

Gesamtreaktion beim Entladevorgang: Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + Energie

Ladung des Bleiakkus

Wenn die beiden Elektroden chemisch gleichartig geworden sind besteht zwischen ihnen keine Spannung mehr. Schließt man die Anordnung an eine äußere Spannungsquelle (Minuspol der Quelle an Minuspol des Akkus), so werden die chemischen Vorgänge, die bei der Entladung des Akkus abgelaufen sind umgekehrt.

2 Modell der physikalischen Vorgänge beim Laden eines Bleiakkus

Vorgang am Minuspol:

PbSO4 + 2e- → Pb + SO4--

Am Minuspol wird Bleisulfat in Blei umgewandelt.

Vorgang am Pluspol:

PbSO4 + 2H2O → PbO2 + 4H+ + SO4-- + 2e-

Am Pluspol wird Bleisulfat in Bleioxid umgewandelt.

Gesamtreaktion beim Ladevorgang: 2PbSO4 + 2H2O + Energie → Pb + PbO2 + 2H2SO4

Hinweise

  • Eine Bleiakkuzelle hat im geladenen Zustand etwa die Spannung von 2V.
  • Ein Bleiakku hat einen relativ geringen Innenwiderstand, ist daher sehr hoch belastbar (vgl. hierzu spätere Kapitel).
  • Der Energiewirkungsgrad des Bleiakkus (Verhältnis von elektrischer Energie bei Entladung zu elektrischer Energie bei Ladung) beträgt ca. 80%.
  • Dem Nachteil des hohen Gewichtes steht der Vorteil des relativ geringen Preises gegenüber.
  • Leichtere wiederaufladbare Batterie, die in tragbaren Geräten eingesetzt werden, sind die sogenannten Lithiumakkus.

Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau eines kommerziellen Bleiakkus.

  • Zwei Sätze von parallelgeschalteten Gitterplatten sind ineinandergeschoben. Ein Plattensatz ist mit Blei gefüllt, der andere mit Bleioxid.
  • Zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind zwischen den Platten säurefeste, mikroporöse Seperatoren aus Kunststoff angebracht.

Bioelektrizität

Die Elektrizität spielt in unserer technisierten Welt eine immer wichtigere Rolle. Der Ausfall eines Kraftwerks oder die Unterbrechung von Fernleitungen zeigen uns dies unerwünscht eindrucksvoll. Aber auch bei Lebewesen spielen elektrische Vorgänge eine z.T. wichtig Rolle. Auf den folgenden Seiten bekommst du davon einen ersten - etwas oberflächlichen - Eindruck. Eine detaillierte Beschreibung ist noch nicht möglich, da du hierfür umfangreichere Kenntnisse aus der Biologie und Chemie besitzen müsstest, die du erst in späteren Jahren erwerben wirst.

Reizleitung im Nerv

Dass auch in der belebten Natur elektrische Vorgänge von Bedeutung sind, entdeckte als erster Luigi Galvani (1789). Als er einen Froschschenkel mit einem aus zwei verschiedenen Materialien (Zink und Kupfer) bestehenden Metallbügel berührte, zuckte der Schenkel. Galvani sprach zunächst von "tierischer Elektrizität" als Ursache für die Zuckungen.

Originalbild von Galvani
(fahre mit der Maus über das Bild)

Heute weiß man, dass viele Vorgänge beim Menschen mit Elektrizität verknüpft sind. Das Schlagen des Herzens wird durch elektrische Impulse ausgelöst, wenn wir scharf Nachdenken fließen vermehrt Gehirnströme usw.

Auch die Steuerung unserer Muskeln - z.B. für die Fortbewegung - geschieht durch elektrische Signale. Auf diesen Vorgang soll nun etwas genauer eingegangen werden:

2 Übertragung eines Reizes von einem Neuron zu einer Synapse

•   Eine Nervenbahn besteht aus einer Kette von Nervenzellen, den Neuronen.

•  Die Neuronen sind spezialisierte Zellen zur Übertragung von Reizen. Sie bestehen aus einem Zellkörper und dessen Fortsätzen, von denen man zwei Typen unterscheidet:

•  Die Dendriten empfangen den Reiz, im linken Neuron wird ein Impuls ausgelöst.

•  Das Axon überträgt diesen Impuls an andere benachbarte Zellen (Reizweiterleitung)

•  Am Ende des Axons des linken Neurons befindet sich die Synapse. Wird diese vom Reiz erreicht, regt sie das rechte Neuron an (Reizübertragung). Nun wird der Reiz auf die gleiche - stark vereinfacht dargestellte - Weise an Neuronen übertragen, welche mit der rechten Nervenzelle verbunden sind.

3 Reizübertragung in einem Axon

Früher dachte man, dass die Informationsübertragung bei den Nerven durch Ladungsträger (Ionen) geschieht, so wie wir es z.B. vom Strom in Elektrolyten kennen. Schon die wesentlich geringere Geschwindigkeit der Informationsübertragung bei den Nerven lässt jedoch vermuten, dass es sich hier nicht um einen Ladungstransport handelt.

Läuft durch das Axon kein Reiz, so befindet sich aufgrund chemischer Vorgänge, die hier nicht betrachtet werden, positive Ladung am Rand und negative Ladung im Inneren des Axons.

Bei der Reizleitung kommt es zu einer örtlich begrenzten Ladungsumkehr.

Mit leistungsfähigen Mikroskopen können Nervenzellen und sogar auch das Axon bildlich dargestellt werden:


Neuron

Axon, das an einer Muskelfaser endet

 

Hinweis:
In der Heilkunde nutzt man die Beeinflussbarkeit der Nerven und Muskeln durch elektrische Reize aus:

  • Mit der Reizstromtherapie ist Schmerzbehandlung, Durchblutungsförderung und Kräftigung der Muskulatur möglich.
  • Durch Nervenstimulation (TENS) kann erreicht werden, dass Schmerzsignale nur noch vermindert an das Rückenmark gemeldet werden.
  • Durch Elektrogymnastik können erschlaffte Muskeln (z.B.bei längerer Liegezeit nach Operationen oder bei Lähmungen) trainiert werden.
     

Elektrische Fische

wesentliche Inhalte dieser Seite stammen aus einem Vorlesungsskript des Instituts für Biologische Informationsverarbeitung, Jülich

Vielleicht hast im Aquarium eines Zoos schon einmal einen Zitteraal oder einen ähnlichen "elektrischen Fisch" gesehen. In München Hellabrunn kann der Aal eine Metallplatte berühren und dann misst ein Voltmeter die Spannung, die der Aal erzeugt. Elektrische Fische werden hauptsächlich in den Gewässern Südamerikas beobachtet.


Zitteraal
Auch der Zitterrochen besitzt "elektrische Zellen", die aus Muskelfasern hervorgegangen sind. Wenn diese vielen in Serie geschalteten Zellen (vgl. Voltasäule) durch die Nerven aktiviert sind, kann der Zitterrochen kurzzeitig Stromstöße von einigen Ampere bei einer Spannung von mehreren hundert Volt erzeugen und so sein elektrisches Organ als Waffe einsetzen (Lähmung des Beutetiers).
Manche "elektrische Fische" nutzen ihre elektrischen Organe zur Orientierung in trübem Wasser.

Zitterrochen

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Lage des elektrischen Organs beim Zitterrochen. Aus der Schemazeichnung ist die Anordnung der elektrischen Zellen erkennbar: Mehrere Säulen aus elektrischen Zellen sind parallel angeordnet. Durch Signale, welche über die Nerven (rot) an die Zellen geführt werden, kommt es zur Entstehung einer Spannung von ca. 140mV pro Zelle. Durch die Serienschaltung mehrerer Tausend elektrischer Zellen kann eine Spannung von hundert Volt und höher erreicht werden. Durch die Parallelanordnung mehrer Säulen ist auch die relativ hohe Stromstärke erklärbar.

 

10 Entstehung einer Spannung von ca. \(140\,\rm{mV}\) in einer elektrischen Zelle eines Zitterrochens

Die Animation in Abb. 10 zeigt - sehr vereinfacht - das Entstehen einer Spannung an der elektrischen Zelle des Zitterrochens.

Druckversion