Arbeitsblatt: Chemie und Elektrizität

1. Chemie und Elektrizität 15 Wenn man einen Kupferblech- und einen Zinkblech-Streifen in eine Zitrone steckt, ohne dass die Bleche sich berühren, kann man zwischen den beiden Blechen eine Spannung von ungefähr 1V messen. Diese Spannung reicht zum Betrieb einer elektrischen Uhr aus. Die beiden Metallstreifen werden genannt. An ihnen laufen Reaktionen ab, bei denen Energie nicht als Wärme oder Licht, sondern in Form von elektrischer Energie abgegeben wird. Die Zitrone kann man zum Beispiel durch eine Kochsalz- oder eine andere leitfähige Lösung ersetzen. Man kann also immer dann eine Spannung messen, wenn man zwei unterschiedliche Metalle in eine leitfähige Lösung eintaucht. Die Zitronen-Batterie zeigt, dass bei chemischen Reaktionen Elektrizität entstehen kann. Ohne solche elektrochemischen Vorgänge gäbe es keine Batterien oder Akkumulatoren. C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 2. 16 Galvanische Elemente • Galvanische Elemente Entwickelt wurden die ersten Formen dieser elektrischen Quellen von dem italienischen Physiker ALESSANDRO VOLTA (1745-1827). Ein einfaches galvanisches Element besteht aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) und zwei verschiedenen Stoffen. Zwischen den beiden verschiedenen Stoffen besteht eine elektrische Spannung. Deshalb sind galvanische Elemente auch elektrische Spannungsquellen. Bei einem geschlossenen Stromkreis fließt ein elektrischer Strom. Die entstehende Spannung ist von den verwendeten Stoffen abhängig. ALESSANDRO VOLTA verwendete eine Kombination von Kupfer und Zink und erhielt damit bei einem einzelnen Element eine Spannung von 0,89 V. Durch Hintereinanderschalten gelang es ihm, größere Spannungen zu erzeugen. C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 2. Galvanische Elemente 17 Am weitesten ist heute noch das Leclanché-Element verbreitet, benannt nach dem französischen Chemiker GEORGES LECLANCHÈ (1839-1882). Als Stoffe werden Zink und Kohlenstoff verwendet, als Elektrolyt meist eine eingedickte Kaliumlauge (Bild 3). Das Element liefert eine Spannung von 1,5 V. Diese Spannung ist nicht von der Größe der Elektroden abhängig, wohl aber die Stromstärke und damit die elektrische Leistung. Schaltet man drei dieser Elemente hintereinander, so erhält man eine Flachbatterie mit einer Spannung von 4,5 . Etwas leistungsfähiger sind Alkali-Mangan-Elemente. Die Urspannung der Zink-Kohle-Zelle beträgt 1,5 V. Mit ihrer zunehmenden chemischen Veränderung sinkt diese Spannung kontinuierlich ab. Wegen ihrer nur einmaligen Verwendbarkeit ersetzt man zunehmend die Zink-Kohle-Batterien durch wiederaufladbare Kleinakkumulatoren. Die dabei wegen ihrer hohen Zahl an Ladezyklen oft genutzte hat gegenüber der herkömmlichen Zink-Kohle-Zelle den wesentlichen Nachteil, dass ihre Urspannung lediglich 1,35 C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 3. 18 Elektrische Stromkreise groß ist. Viele batteriebetriebene Geräte können mit dieser niedrigeren Spannung nicht richtig arbeiten oder besitzen dann eine deutlich verkürzte Einsatzdauer. Als zur Stromversorgung von Taschenrechnern, Armbanduhren oder Fotoapparaten verwendet man heute meist ZinkQuecksilberoxid-Elemente oder Silberoxid-Zink-Elemente mit Kalilauge als Elektrolyten. Lithium-Elemente werden z. B. bei Herzschrittmachern verwendet. • Elektrische Stromkreise Elektrischer Strom fließt nur in einem. Die Elektronen fliessen vom Minuspol zum Pluspol. Dabei verrichten sie Arbeit, z.B. leuchtet eine Glühlampe. Befinden sich in beiden Kammern gleich viele Elektronen, kann kein Strom mehr fliessen. C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 4. 19 Spannung Darstellen kann man den Stromfluss auch mit einem Wassermodell. Dabei wird der elektrische Strom durch einen Wasserstrom veranschaulicht. Durch eine Pumpe wird das Wasser angetrieben, ein Wasserrad ist der Verbraucher. Das strömende Wasser ist vergleichbar mit dem Elektronenstrom • Elektrische Spannung Man kann eine elektrische Leitung mit einer Wasserleitung vergleichen. Wenn du einen Wasserhahn öffnest, schiesst das Wasser aus der Leitung unter Druck heraus. Ohne Druck fliesst kein Wasser. Auch die Elektronen brauchen einen Druck, damit sie in einem Leiter fliessen können. Diesem Druck entspricht im elektrischen Stromkreis die Spannung. Sie wird in Volt (V) Gemessen. Hoher Druck bedeutet hohe Spannung. Benannt ist die Einheit der elektrischen Spannung nach dem italienischen Naturforscher ALESSANDRO VOLTA (1745 1827). In der nachfolgenden Übersicht sind einige Spannungen in Natur und Technik angegeben. Monozelle, Taschenrechner, elektronische Thermometer 1,5 Fahrraddynamo 6V Rechner, elektronisches Notizbuch 6 (0,05 W) Batterie PKW 12 maximale Spannung bei Schülerexperimenten 25 Energieversorgung Zugwaggon (Reisezugwagen) 30 Spannung im Haushalt 230 C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 4. 20 Spannung Straßenbahn 500 Berliner S-Bahn 750 Gleichspannung Zitteraal bis 800 E-Lok 15 kV Generator im Kraftwerk 15 kV Spannung Zündspule PKW bis 24 000V Hochspannung Fernsehgerät 25 kV Überlandleitung 15 kV-380 kV Spannung zwischen Wolken und Erde bei Gewitter bis 1 000 kV Messen der elektrischen Spannung Die elektrische Spannung wird mit Spannungsmessern, auch Voltmeter genannt, gemessen. Häufig werden auch Vielfachmessgeräte genutzt, die man als Spannungsmesser schalten kann. Spannungsmesser werden immer parallel zu dem Gerät geschaltet, an dem die elektrische Spannung gemessen werden soll. Beim Messen der elektrischen Spannung mit einem Vielfachmessgerät sollte man folgendermaßen vorgehen: 1. Stelle am Messgerät die Spannungsart (Gleichspannung oder Wechselspannung) ein, die im Stromkreis vorliegt. 2. Stelle am Messgerät den größten Messbereich für die Spannung ein. 3. Schalte das Messgerät parallel zum elektrischen Gerät in den Stromkreis ein! Achte bei Gleichspannung darauf, das der Minuspol der elektrischen Quelle mit dem Minuspol des Messgerätes und der Pluspol der Quelle mit dem Pluspol des Messgerätes verbunden werden. 4. Schalte den Messbereich soweit herunter, dass möglichst im letzten Drittel der Skala abgelesen werden kann! Das verringert den Messfehler. Lies die Spannung ab! Beachte dabei, dass der eingestellte Messbereich den Höchstwert der Skala angibt! C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 5. 21 Stromstärke Wir vergleichen den Stromkreis wiederum mit einer Wasserleitung. Aus einem geöffneten Wasserhahn fliesst ein starker Wasserstrom. Schliesst man langsam den Wasserhahn, wird der Wasserstrom immer schwächer. Die Stromstärke ist mit der Wassermenge zu vergleichen, die pro Sekunde aus dem Wasserhahn fliesst. Ein Milliampere (mA) ist ein tausendstel Ampere 1/1000 A: Benannt ist die Einheit für die elektrische Stromstärke nach dem französischen Mathematiker und Physiker ANDRÈ MARIE AMPÈRE (1775-1836). In der nachfolgenden Übersicht sind elektrischeStromstärken aus Natur und Technik angegeben. Kopfhörer 1 mA lebengefährliche Stromstärke mehr als 25 mA Glühlampe 60 Glühlampe 75 Glühlampe 100W 0,26 0,33 0,43 Haushaltsgeräte 0,1 - 10 PKW-Scheinwerfer 4,5 Energieversorgung Zugwaggon (Reisezugwagen) 30 - 50 Elektroschmelzofen 15 000 Blitz 10 000 100 000 (Durchschnitt: 36 000 A) C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 6. Die elektrische Leistung 22 In metallischen Leitern bewegen sich Elektronen. Bei einer Stromstärke von 1 bewegen sich in jeder Sekunde etwa Elektronen durch den Querschnitt eines Leiters. • Die elektrische Leistung Auch die Masseinheit Watt (W( kann man am Beispiel der Wasserleitung erklären. Aus dem geöffneten Wasserhahn fliesst der Wasserstrom und treibt ein Wasserrad an. Druck und Stärke des Wassers bewegen das Rad. Sie vollbringen eine Leistung. Wenn elektrischer Strom fliesst, zum Beispiel im einfachen Stromkreis leuchtet die Glühlampe. Spannung und Stromstärke vollbringen eine Leistung Sie wird in Watt (W) gemessen. Will man die Leistung berechnen, multipliziert man die Stromstärke mit der Spannung. Wenn ein Strom von 1 bei einer Spannung von 1 liesst, ist die Leistung 1 Watt (1W). Die Leistung von einem Watt über eine Stunde entsprich einer Wattstunde (Wh). 1000 Wattstunden sind 1 Kilowattstunde (1000 Wh kWh) C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 6. Die elektrische Leistung 23 Benannt ist die Einheit der Leistung nach dem schottischen Techniker JAMES WATT (1736-1819). Für die Einheit 1 gilt: Vielfache der Einheit 1 sind ein Kilowatt (1 kW) und ein Megawatt (1 MW). Es gilt: 1 kW 1 MW 1000 1000 kW 1 000 000 1. Aufgabe: Eine Glühlampe mit 75 Watt leuchtet eine Stunde lang. Schreibe den Verbrauch in Wh und kWh auf 2. Aufgabe: Wie lange kann eine Glühlampe mit 100 Watt leuchten, bis sie eine Kilowattstunde verbraucht hat? C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08 7. 24 Leitung in Metallen Entsprechend dem allgemeinen Leitungsmodell müssen für einen elektrischen Leitungsvorgang zwei Voraussetzungen erfüllt sein: 1. Vorhandensein frei beweglicher (wanderungsfähiger) Ladungsträger: Bei Metallen existieren aufgrund der Metallbindung Elektronen, die sich im Metall nahezu frei bewegen können. 2. Existenz eines elektrischen Feldes: Das wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung erreicht. Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges in Metallen ist dadurch gekennzeichnet, dass • • • sich Elektronen im Metall gerichtet bewegen, die gerichtete Bewegung der Elektronen durch Zusammenstöße mit den Metall-Ionen behindert wird, beim Leitungsvorgang elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Die thermisc he Energie wird in Form von Wärme oder Licht an die Umgebung abgegeben. Auftreten und Anwendung von Leitungsvorgängen in Metallen Leitungsvorgänge in Metallen treten in allen elektrischen Leitungen auf. Unerwünscht ist dort allerdings die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme und Licht. Leitungsvorgänge in Metallen werden z. B. bei Heizwendeln (Nutzung der Wärmewirkung) oder bei Glühlampen (Nutzung der Lichtwirkung) genutzt. C/20081220-114603S Chemie und Elektrizität.doc IS/20.12.08