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Batterie

Batterie

Eine elektrische Batterie (auch: Akkumulator) ist eine Galvanische Zelle. Der Begriff Batterie bezeichnete ursprünglich die Zusammenschaltung mehrerer Monozellen, jedoch hat sich inzwischen ein Bedeutungswandel des Begriffs vollzogen, so dass mit "Batterie" auch eine einzelne Zelle gemeint sein kann. Galvanische Zelle

Anwendungsgrundlagen

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest. Höhere Spannungen erhält man durch ein Hintereinanderschalten (Reihenschaltung) mehrerer Elemente. Die Kapazität einer Batterie wird als theoretisch entnehmbare Ladungsmenge in Amperestunden angegeben. Diese ergibt sich bei einem Entladevorgang nach einer vorgegebenen Norm. Die praktisch entnehmbare Kapazität hängt von der tatsächlichen Höhe des Entladestroms, der definierten Spannung bei Entladungsende und der Temperatur der Batterie ab. Die Kapazität (Energiemenge) oder der Maximalstrom bei fester Spannung läßt sich durch größer gebaute Zellen erhöhen. Ein Parallelschalten zur Kapazitätserhöhung kann demgegenüber zur baldigen gegenseitigen Entladung führen, da sich einzelne Zellen in ihrer Leerlaufspannung unterscheiden und deshalb Ausgleichsströme zwischen den parallel geschalteten Zellen fließen. Galvanische Elemente unterliegen aufgrund von Elektrodenvorgängen bei Lagerung einer gewissen Selbstentladung. Diese ist abhängig vom Batterietyp und der Lagerungstemperatur: je niedriger die Temperatur, desto weniger Selbstentladung findet statt. Eine Haltbarkeit bzw. Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren wird mit der Zahl von Lade-/Entlade-Zyklen angegeben, bis zu der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Lade-Kapazität hat. Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwertvorgaben an. Norm In Deutschland regelt die Batterieverordnung die Rücknahme und Entsorgung von Batterien. Sie legt unter anderem fest, dass in Deutschland keine Batterien oder Zellen mit einem Quecksilbergehalt von mehr als zwei Gewichtsprozent in den Verkehr gebracht werden dürfen. Quecksilberknopfzellen sind in Deutschland nicht mehr zulässig. Auch Alkali-Mangan-Batterien enthalten heutzutage kein Quecksilber mehr, während es in den ersten Baureihen noch zum Amalgieren des Elektrodenmaterials erforderlich war. Siehe auch Batterierecycling. Nicht jeder Batterietyp ist in jedem Land erhältlich. Deshalb gibt es insbesondere Flachbatterie-Adapter, welche drei AA-Batterien zu je 1.5 V aufnehmen. Der Adapter lässt sich dann überall dort verwenden, wo auch eine Flachbatterie hineinpasst. Nützlich sind Adapter auch, weil es bis jetzt keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.

Typen-Variationen

Handelsübliche Batterien gibt es in zahlreichen Varianten sowohl nach dem zugrunde liegenden chemischen Redoxsystem als auch nach den elektrischen Werten oder der geometrischen bzw. konstruktiven Bauform. Von den nachfolgend aufgeführten Bezeichnungen können mehrere zusammen einen Batterietyp beschreiben, z. B. "Alkali-Mangan-Batterie – LR 6/AM-3 – AA – Mignon" oft wird aber nur ein bestimmtes Merkmal gefordert, z. B. die Größe "AA" für eine speziell auf diesen Batterietyp abgestimmte Taschenlampe. Von einer Trockenbatterie spricht man, wenn der Elektrolyt z.B. durch Eindickung, nicht flüssig vorliegt. Dadurch wird die Batterie in beliebiger räumlicher Orientierung, also insbesondere für transportable Anwendungen, einsetzbar.

Einsatzbereiche

Nach dem Einsatzgebiet gibt es folgende Begriffe und Zuordnungen:
- Gerätebatterien werden zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte eingesetzt, beispielsweise in Taschenlampen. Besonders kleine Ausführungen werden als Knopfzelle bezeichnet.
- Insbesondere für Kraftfahrzeuge werden Starterbatterien verwendet.
- Elektrofahrzeuge verfügen über Traktionsbatterien.
- Stationäre Batterien kommen bei ortsfesten Anwendungen wie beispielsweise unterbrechungsfreien Stromversorgungen in der Industrie zum Einsatz.

Primärzellen

unterbrechungsfreien StromversorgungenAls Primärzellen werden galvanische Zellen bezeichnet, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet:
- Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 V Nennspannung pro Zelle
- Zink-Kohle-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Oxy-Nickel-Hydroxid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Lithium-Batterien; je nach Kathodenmaterial 2,9 bis 3,6 V
- Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Zink-Luft-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 V pro Zelle
- Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 V pro Zelle

Sekundärzellen

Als Sekundärzellen oder Akkumulatoren werden galvanische Zellen bezeichnet, die nach der Entladung wieder neu aufgeladen werden können. Verbreitete Typen werden ebenfalls nach den verwendeten Materialien bezeichnet:
- Bleiakkumulator (Bleidioxid/Blei); 2 Volt Nennspannung pro Zelle. Der Elektrolyt (Schwefelsäure H₂SO₄) kann in flüssiger Form, in Vlies gebunden oder als Gel eingedickt im Akkumulator untergebtracht sein. Letztere Bauform wird als Blei-Gel-Akku bezeichnet.
- Nickel-Cadmium-Akku; 1,2 V pro Zelle
- Nickel-Metallhydrid-Akku; 1,2 V pro Zelle
- Lithium-Ionen-Akku; 3,7 V pro Zelle
- Lithium-Polymer-Akku
- Alkali-Mangan-Batterie (englisch: Reusable Alkaline Manganese, kurz: RAM); 1,5 V pro Zelle
- Silber-Zink-Akku; 1,5 V pro Zelle
- Nickel-Wasserstoff-Akku; 1,2 V pro Zelle

Baugrößen

Nickel-Wasserstoff-Akku Als Gerätebatterien werden häufig die elektrischen Batterien bezeichnet, die sehr verbreitet im Alltagsgebrauch für die Energieversorgung von Elektrokleingeräten wie Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen oder sonstigen tragbaren Geräten und auch in fest installierten Geräten wie beispielsweise Brandmeldern verwendet werden. Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig einsetzbar, leicht und trotzdem mechanisch widerstandsfähig sein. Sie dürfen bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät weder auslaufen noch gasen. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen auf der Basis von Zink-Kohle- oder Alkali-Mangan-Batterie im Handel erhältlich. Ihre Bezeichnung folgt den von der IEC festgelegten Leistungsklassen und den von der ANSI genormten Baugrößen: Neben diesen "Standardtypen" gibt es noch eine große Formenvielfalt bei produktspezifischen Batterien für Fotoapparate und bei Knopfzellen. Knopfzelle

Literatur

- Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren - Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998 ISBN 3-540-62997-1
- David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002 ISBN 0-071-35978-8
- Wiebke Dirks, Hendrik Vennemann: Lithium-Batterien. CHEMKON 12(1), S. 7 - 14 (2005), WILEY-VCH Verlag GmbH,

Weblinks

- [http://www.baumarkt.de/b_markt/fr_info/batterie.htm Die richtige Batterie für den richtigen Einsatz], die wichtigsten Größen und Typen
- [http://www.batteryuniversity.com/ Battery University (englisch / deutsch)] Gerätebatterien
- [http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/bg.html Batterie-Glossar]
- [http://www.powerstream.com/BatteryFAQ.html Battery Chemistry FAQ] (Englisch)
- [http://www.grs-batterien.de/ Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien]
- [http://www.solarlink.de/leitfaden.htm Leitfaden für die Gleichstromversorgung] Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:電池 ko:전지

Galvanische Zelle

Eine galvanische Zelle oder galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von spontan chemischer in elektrische Energie. Sie wird in Batterien und Akkumulatoren verwendet. Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als galvanisches Element. Sie dienen als Gleichspannungsquellen. Der charakteristische Wert ist die Teilspannung/eingeprägte Spannung. Unter der Kapazität eines galvanischen Elements versteht man das Produkt aus Entladungsstromstärke und -zeit. Die Funktion der galvanischen Zelle beruht auf einer Redox-Reaktion. Die Reduktion läuft räumlich getrennt von der Oxidation in je einer Halbzelle (Halbelement) ab. Durch Verbinden der beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einem Ionenleiter wird der Stromkreis geschlossen. Die Spannung des elektrischen Stroms lässt sich durch die Nernst-Gleichung berechnen, die Spannung hängt von der Art des Metalls (Elektrochemische Spannungsreihe) und der Konzentration ab. Im Gegensatz zur Elektrolyse, beispielsweise in der Galvanotechnik, kann in der galvanischen Zelle elektrische Energie gewonnen werden, während die Elektrolyse elektrische Energie verbraucht. Die Anode ist in einer galvanischen Zelle negativ geladen, die Kathode positiv. Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück.

Beispiele

Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und Silberelektrode in Silbernitratlösung, verbunden durch einen Draht (Elektronenleiter) mit Voltmeter und einem Ionenleiter. An der Kupferelektrode gehen mehr Cu²⁺-Ionen in Lösung als sich Cu Ionen wieder abscheiden. Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, wenn es in Lösung geht, lädt sich die Elektrode negativ auf (Anode).

An der Silberelektrode scheiden sich dagegen mehr Ag²⁺-Ionen an der Elektrode ab als in Lösung gehen. Da die Ag²⁺-Ionen zum Abscheiden zwei Elektronen verbrauchen, gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel, sie lädt sich positiv auf (Kathode).

Werden die zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden, so entsteht zwar eine Spannung, aber es fließt noch kein Strom. Der Grund dafür ist, dass in der Kupferelektrode ein Überschuss an Cu²⁺-Ionen entsteht und die Lösung sich stark postiv auflädt. Also gehen nur noch so viele Kupferionen in Lösung, wie sich gleichzeitig an der Elektrode wieder abscheiden. Ähnliches passiert mit der Silbernitratlösung, nur dass sich hier die Lösung negativ auflädt. Silbernitratlösung: c[NO₃^-] >> c[Ag⁺] Kupfersulfatlösung: c[SO₄^2-] << c[Cu²⁺] Deswegen sind die Elektrodenräume über eine Salzbrücke miteinander verbunden, welche notwendig ist um den Stromkreis zu schließen. Die Salzbrücke ist häufig ein U-Rohr das mit einem Elektrolyten gefüllt ist, und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind. Über die Salzbrücke erfolgt der Anionenaustausch um so der Aufladung der einzelnen Zellen entgegen zu wirken. Eine andere Möglichkeit die Elektrodenräume voneinander zu trennen besteht in einer semipermeablen Membran welche ebenfalls einen Ladungsausgleich ermöglicht. Es gibt auch Galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden, diese nennt man Konzentrationselement. Brennstoffzellen sind nichts anderes als galvanische Zellen.

Weblinks

- [http://www.chempage.de/theorie/galvanischezelle.htm Verständliche, einfache Erklärung der galvanischen Zelle mit anschaulicher Animation]
- [http://www.chemieseite.de/anorganisch/node36.php Galvanisches Element Informationen]
- [http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/galvan5.swf Animation] Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Energietechnik Kategorie:Elektrochemie simple:Chemical cell

Elektrochemische Spannungsreihe

Die Elektrochemische Spannungsreihe ist eine Auflistung von Redox-Paaren nach ihrem Standardelektrodenpotenzial (Redoxpotenzial unter Standardbedingungen).

Interpretation und Bedeutung

Metalle

Bei Metallen bilden das Metall selbst und sein zugehöriges Ion ein Redoxpaar. Im Beispiel Cu²⁺ + 2e^- <--> Cu sind Cu die reduzierte Form ("Red") und Cu²⁺ die oxidierte Form ("ox"). Das Redoxpotenzial ist ein Maß für die Bereitschaft der Ionen, die Elektronen aufzunehmen. Die Ionen der Edelmetalle nehmen bereitwilliger Elektronen auf als die Ionen unedler Metalle, weshalb unter Standardbedingungen das Redoxpotenzial des Cu/Cu²⁺-Paares mit +0,34 V deutlich positiver ist als das des Zn/Zn²⁺-Paares mit -0.76 V. Und das heißt wiederum, dass Zn zu den unedleren Metallen gehört und ein stärkeres Reduktionsmittel ist, also seinen Reaktionsteilnehmer reduziert und selbst oxidiert wird und Elektronen abgibt. ("Unter Standardbedingungen" bedeutet, dass die Konzentration - genauer: Aktivität - der Ionen 1 mol/l betragen muss, damit das Redoxpotenzial die tabellierten Werte annimmt. Diese Einschränkung ist notwendig, weil es sich um Gleichgewichtsreaktionen handelt. Nach dem LeChatelierschen Prinzip hat eine größere Menge Metallionen auch eine größere Bereitschaft, zum Metall reduziert zu werden und daher ein höheres Redoxpotenzial. Die Nernst-Gleichung beschreibt diesen Zusammenhang mathematisch.) Nernst-Gleichung Redoxpotenziale selbst sind nicht messbar. Messbar ist dagegen die Differenz von zwei Elektrodenpotenzialen. Eine Elektrode unter Standardbedingungen wird einfach realisiert durch das Eintauchen eines Metalls in eine Lösung, die seine Ionen in einer Konzentration von 1 mol/l enthält. Werden zwei solcher Elektroden elektrisch leitend verbunden (Ionenbrücke), entsteht eine galvanische Zelle und man kann zwischen den Metallen eine Spannung messen. Diese Spannung ist gleich der Differenz der Standardelektrodenpotenziale, die zu den Redoxpaaren in den Elektrodenräumen gehören und in der elektrochemischen Spannungsreihe tabelliert sind. Für das Beispiel der Kombination der Redox-Paare Cu/Cu²⁺ und Zn/Zn²⁺ entsteht ein Daniell-Element mit der Spannung 1.10 V.

Allgemeines

Redox-Paare und Ion-/Ion-Elektroden

Ein Redox-Paar wird allgemein durch zwei verschiedene Oxidationsstufen eines Elements in chemischen Verbindungen gebildet. So sind auch Sulfat-/Thiosulfat-Ionen ein Redoxpaar, mit Schwefel in den Oxidationsstufen +VI und +VII: S₂O₈^2- + 2 e^- <--> 2 SO₄^2- Elektroden werden für solche Redox-Paare realisiert, indem ein inertes Metall (meist Platin) in eine Lösung eintaucht, die 1 mol/l S₂O₈^2- (z. B. aus Na₂S₂O₈) und 1 mol/l SO₄^2- (z. B. aus Na₂SO₄) enthält.

Ion-/Gas-Elektroden (Normal-Wasserstoffelektrode)

Gasförmiger Wasserstoff und Proton sind ebenfalls ein Redoxpaar: 2H⁺ + 2e^- <--> H₂ Elektroden für Redox-Paare mit gasförmigen Stoffen werden realisiert, indem ein inertes Metall (Pt) in eine 1 mol/l Lösung der Ionen (H⁺) getaucht und vom zugehörigen Gas (H₂) bei einem Druck von 1 bar umspült wird. Im speziellen Fall entsteht eine Normal-Wasserstoffelektrode. Diese Elektrode ist leicht aufzubauen und liefert ein konstantes, reproduzierbares Potenzial. Da das Redox-Paar H₂/H⁺ außerdem die Wirkung von Säuren beschreibt (es taucht immer bei der Auflösung von Metallen in Säuren auf: z. B. Mg + 2H⁺ --> Mg²⁺ + H₂), wurde das Standardpotenzial der Normal-Wasserstoffelektrode aus praktischen Gründen als null definiert. Alle anderen Standardpotenziale sind daher die Spannungen, die man in einer galvanischen Zelle misst, wenn links die Normal-Wasserstoffelektrode und rechts die Elektrode des Redox-Paares zusammengeschlossen sind. (Jeweils unter Standardbedingungen!)

Anwendungen

Die elektrochemische Spannungsreihe erlaubt die Berechnung der Spannungen, die Batterien und Akkumulatoren maximal liefern können. Im Umkehrschluß sind das die Spannungen, die mindestens für das Antreiben von Elektrolysen bzw. Laden der Akkumulatoren angelegt werden müssen. Weiterhin sind die Berechnung von Reaktionsrichtung und -stärke möglich. Mischt man zwei Redox-Paare in einer Reaktionslösung, so wird für das Paar mit dem höheren Redoxpotenzial die Reduktion ablaufen, für das Paar mit dem niedrigeren Redoxpotenzial die Oxidation. Taucht man z. B. ein Zink-Blech in eine CuSO₄-Lösung, so wird Zink aufgrund seines niedrigeren Redoxpotenzials (-0.76 V) oxidiert und geht als Zink-Ionen in Lösung, wohingegen gleichzeitig Kupfer-Ionen (+0.52 V) reduziert werden und sich als Kupfer-Überzug auf dem Zink-Blech abscheiden. (Dieses gern zitierte Beispiel mißachtet die Forderung nach Standardbedingungen. So wird sich auch ein Kupfer-Blech, das in eine ZnSO₄-Lösung eintaucht, ein wenig mit Zink überziehen, weil zunächst kein Zink vorhanden und die Cu²⁺-Konzentration null sind. Der Effekt kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden, ist aber unmessbar klein, sodass das Beispiel eine gewisse Berechtigung hat.) Ein Maß für die Stärke der Reaktion ist die Gibbs-Energie (freie Enthalpie) der zugehörigen Reaktion, die nach

\Delta G^\circ = -z\, F\, \Delta E^\circ

berechnet werden kann. Darin sind

z

die Zahl der ausgetauschten Elektronen,

F

= 96485 C mol^-1 die Faraday-Konstante und ΔE ° die Differenz der Standardpotenziale. Die reduzierte Form eines Redox-Paares mit sehr negativem Standardpotenzial stellt ein sehr starkes Reduktionsmittel dar, weil es zur Elektronenabgabe bestrebt ist (z. B. Natrium). Dagegen ist die oxidierte Form eines Redox-Paares mit sehr positivem Standardpotenzial ein starkes Oxidationsmittel (z. B. Fluor als stärkstes bekanntes Oxidationsmittel, d. h. mit höchstem Standardpotenzial), weil es nach Elektronenaufnahme strebt. Die elektrochemische Spannungsreihe ist damit eine Auflistung von Oxidationsmitteln nach Oxidationsstärke bzw. gleichzeitig eine umgekehrte Auflistung von Reduktionsmitteln nach Reduktionsstärke. Außerdem enthält die elektrochemische Spannungsreihe eine Abstufung der Metalle ("sehr edles Metall", "edles Metall", "weniger edles Metall", "unedles Metall", "sehr unedles Metall") nach ihrem Bestreben, sich in Säuren oxidieren zu lassen. Die Standardpotenziale der edlen Metalle haben ein positives Vorzeichen, die der unedlen dagegen ein negatives. Die unedlen Metalle lösen sich daher in Säuren auf, weil Säuren H⁺ enthalten. (Die Argumente zum Beispiel Zn/Cu gelten analog.)

Tabelle

Literatur

- Handbook of Chemistry and Physics, CRC press, 1995 Electrochemical Series
- Anorganische Chemie, Buchners Verlag, 1972 Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Elektrochemie

Reihenschaltung

Bei einer Reihenschaltung liegen mehrere Komponenten aufgereiht in einem einzigen unverzweigten Stromkreis. Ein Beispiel ist die Anreihung von Glühlampen in einer Lichterkette (im Bild links). Eine Unterbrechung des Stromkreises an einer Stelle (z.B. Durchbrennen einer Lampe) bringt die gesamte Kette zum Ausfall. : Reihenschaltungen von Lampen bzw. Widerständen Für die an den einzelnen Komponenten abfallenden Spannungen gilt die Kirchhoff'sche Maschenregel, nach der die Summe der Teilspannungen gleich der Gesamtspannung ist. Die Abbildung rechts zeigt dies am Beispiel von zwei Widerständen. : U = U₁ + U₂ Bei der Reihenschaltung fließt durch alle Widerstände der gleiche Strom I. Daraus ergibt sich nach dem Ohm'schen Gesetz für die Spannungen: : U₁ = R₁ · I und U₂ = R₂ · I. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung ist (die Summe aller Einzelwiderstände): :

R =  =  =  +  = R_1 + R_2

. Der Spannungsteiler ist eine spezielle Anwendung der Reihenschaltung von Widerständen.

Siehe auch

- Parallelschaltung Kategorie:Elektrotechnik

Elektrische Kapazität

Die elektrische Kapazität (Adjektiv kapazitiv) in der Physik/Elektrotechnik stellt die Fähigkeit eines Körpers dar, elektrische Ladungen zu speichern. Sie wird als Verhältnis der zugeführten Ladungsmenge zur entstandenen Spannung bestimmt. Damit ist sie ein Maß für das Ladungs-Fassungsvermögen eines Körpers. Der Begriff "Kapazität" wird gerade in der Elektrotechnik und Elektronik häufig auch synonym für das elektrische Bauelement Kondensator verwendet. Bei Akkumulatoren besitzt die Bezeichnung "Kapazität" umgangssprachlich eine andere Bedeutung. Dort wird sie direkt als Bezeichnung für die Ladungsmenge verwendet. Die elektrische Kapazität wird in der SI-Einheit Farad gemessen. Ein Farad (1 F) ist die Kapazität C eines Kondensators, der beim Anlegen einer Spannung U von 1 Volt eine Ladungsmenge Q von 1 Coulomb (As) speichert:

[C]=\frac

1\,\mathrm = \frac

Das Farad ist eine recht große Einheit, die meisten in der Praxis verwendeten Kondensatoren haben Nennwerte zwischen einigen Picofarad (pF) und einigen Mikrofarad (μF). Die Größe der Kapazität hängt von den Abmessungen und dem Material des Kondensators ab. Für einen Plattenkondensator (zwei Metallplatten der Fläche A im Abstand d) berechnet man die Kapazität gemäß: :: $C = \frac$ Die Kapazität einer freien Kugel mit dem Radius R beträgt: :: $C = 4 \pi\ \epsilon_r \ \epsilon_0 \ R$ Diese Formel gilt allerdings nicht mehr, wenn sich Gegenstände insbesondere Leiter auf Erdpotential (z.B. die Hand des Experimentators) in der Nähe der Kugel befinden. In den Formeln ist ε₀ die elektrische Feldkonstante, :: $\epsilon_0 = 8854187817 \cdot 10^ \mathrm$ ε_r ist eine für das Isolationsmaterial spezifische dimensionslose Materialkonstante, die Permittivitätszahl, auch Dielektrizitätszahl genannt (siehe auch: Permittivität). Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:静電容量 ko:전기용량

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist ein Phänomen, das sich unserer direkten sinnlichen Wahrnehmung entzieht. Sie lässt sich lediglich indirekt nachweisen, beispielsweise über die Kräfte, die zwischen Ladungen wirken. Die elektrische Ladung ist Quelle des elektrischen Feldes. Ihre Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld wird über die Maxwell'schen Gleichungen und über die Coulomb- und Lorentzkraft beschrieben. Es gibt genau zwei einander entgegengesetzte elektrische Ladungen, die man durch ein unterschiedliches Vorzeichen kennzeichnet und dementsprechend als positive oder negative Ladungen bezeichnet. Die Wahl des Vorzeichen erfolgte völlig willkürlich. Festgelegt wurde, dass Protonen eine positive und Elektronen eine negative Ladung zugeordnet werden muss. Zwei gleich große, entgegengesetzte Ladungen (z. B. von Elektron und Proton) heben sich gerade auf. Als elektrisch neutral bezeichnet man daher Objekte oder Teilchen, die keine elektrische Ladung tragen, beziehungsweise deren Ladungen sich gegenseitig aufheben. Übertragen auf einen Körper bezeichnet eine positive Ladung den Überschuss an positiven Ladungsträgern und dementsprechend eine negative Ladung den Überschuss an negativen Ladungsträgern. Die elektrostatische Kraft (Coulombkraft) die im elektrischen Feld zwischen zwei Punktladungen auf die Ladungsträger wirkt, wird durch das Coulombsches Gesetz beschrieben. Das Formelzeichen der elektrischen Ladung ist Q oder q. Die Ladung wird im SI-Einheitensystem in der Einheit Coulomb gemessen, die von den Grundeinheiten Ampere und Sekunde abgeleitet wird. Die Ladung freier Objekte ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung und die Ladung der Quarks stets ein ganzzahliges Vielfaches eines Drittels der Elementarladung.

Geschichte

Vermutlich wurden schon im antiken Griechenland Experimente durchgeführt, bei denen die von elektrischer Ladung ausgehenden Kräfte beobachtet werden konnten. Beispielsweise wurde eine anziehende Kraft von einem Stück Bernstein auf ein paar leichte Vogelfedern festgestellt, nachdem der Bernstein an einem trockenen Fell gerieben wurde. Deswegen hat man sich entschlossen derartige Phänomene nach dem griechischen Wort ελεκτρον (=Bernstein) „elektrisch“ zu nennen.

Berechnung von Ladungsverteilungen

Die Gesamtladung eines Raumgebietes (wahre Ladung) kann durch folgende Beziehung beschrieben werden:

Q=Q_++Q_-=\int_\;\mathrmQ

Folgende Spezialfälle der Ladungsverteilung können auftreten: Die allgemeine Formel für den Zusammenhang zwischen Ladung und Strom:

Q = I \cdot t

Q: elektrische Ladung
I: elektrischer Strom
t: Zeit Im Falle veränderlicher Ströme gilt genauer :

\mathrmQ=I(t)\cdot\mathrmt \;\;\Leftrightarrow\;\;Q=\int_t I(t)\mathrmt

dQ: Infinitesimale Veränderung der Ladung
dt: Infinitesimale Veränderung der Zeit
I(t) : Stromstärke zum Zeitpunkt t

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m01_ladungen.htm Versuche und Aufgaben zur elektrischen Ladung] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Physik ja:電荷 ko:전하

Amperestunde

Die Amperestunde ist eine SI-fremde Einheit für die elektrische Ladung. 1 A
- h = 3600 As (Amperesekunden) 1 A
- s = 1 C (Coulomb - SI-Einheit) Eine Amperestunde ist dabei die Ladungsmenge, die - wenn man die beiden getrennten Ladungen verbindet - über eine Zeit von einer Stunde einen konstanten Strom von 1A liefern könnte. Die zur Verfügung stehende Ladung von Akkumulatoren oder Batterien wird in Amperestunden angegeben. Kategorie:Theoretische Elektrotechnik

Parallelschaltung

Bei einer Parallelschaltung wird ein Stromkreis so verzweigt, dass an jedem Stromzweig die selbe Spannung anliegt. Jeder Komponente steht in diesem Falle die Betriebsspannung in voller Höhe zur Verfügung. Bei Bedarf kann man durch eigene Schalter einzelne Verbraucher unabhängig von den anderen ein oder ausschalten. Ein Beispiel ist die übliche Schaltung einer Wohnungsbeleuchtung (im Bild links oben). Eine Gruppe von parallel geschalteten Komponenten kann auch durch einen gemeinsamen Schalter betätigt werden (Lampengruppe, z.B. Scheinwerfer und Rücklichter eines Kraftfahrzeugs; im Bild links unten), jedoch ist auch dann jede von den anderen unabhängig und ein Ausfall beeinträchtigt die anderen nicht. :Beispiele zur Parallelschaltung Bei einer Parallelschaltung verteilt sich der Gesamtstrom I nach der Kirchhoff'schen Knotenregel so auf die einzelnen Zweige, dass die Summe der Teilströme gleich dem Gesamtstrom ist, während die Spannung U für alle Komponenten gleich ist. Im Bild rechts ist dies am Beispiel zweier Widerstände gezeigt: ::

I = I_1 + I_2

. Der resultierende Gesamtwiderstand R der Anordnung ergibt sich aus ::

R==

. Die Berechnung vereinfacht sich, wenn man an Stelle des Widerstandes R mit dem Leitwert 1/R rechnet. Dann ist nämlich ::

===+=+

, d.h. der Gesamtleitwert ist die Summe der Teilleitwerte. Durch erneute Kehrwertbildung entsteht hieraus schließlich ::

R =

Dies lässt sich auch wie folgt schreiben: ::

R =

Um sich bei dieser Formel später einmal die Reihenfolge zu merken, wo das Produkt steht und wo die Summe, muss man daran denken, dass der Bruch wieder ein Widerstandswert errechnen muss. Da die Einheit bei dem Produkt

\Omega^2

beträgt und bei der Summe

\Omega

ist muss das Produkt in den Zähler und die Summe in den Nenner, damit sich ein

\Omega

wegkürzen kann.

Siehe auch

- Reihenschaltung
- Leitfähigkeit
- Physik für die Schule Kategorie:Elektrotechnik

Zyklus

Ein Zyklus, Plural Zyklen (männlich, griechisch κύκλος, kíklos - der Kreis) ist ein Kreislauf. Ein Zyklus kann eine wiederholte Aufeinanderfolge gleichartiger Ereignisse oder Dinge, bzw. eine Aufeinanderfolge unterschiedlicher Ereignisse oder Dinge innerhalb des Zyklusablaufes umfassen. Das abgeleitete Adjektiv ist zyklisch.

Zyklen in der

Astronomie

- Jahreszyklus
- Milanković-Zyklen
- Mondzyklus
- Saros-Zyklus
- Sonnenfleckenzyklus

Kunst

Die Folge von inhaltlich zusammengehörenden Werken, die auf eine Anzahl begrenzt ist. Der Künstler legt dadurch fest, dass diese bestimmte Reihe in sich abgeschlossen ist.

Beispiele

- Bilderzyklus
- Dramenzyklus
- Gedichtzyklus
- Klavierzyklus
- Konzertzyklus
- Liederzyklus
- Novellenzyklus
- Opernzyklus
- Romanzyklus
- Sonettzyklus Die Benennung der Werke setzt sich aus einem griechischen Präfix für die Anzahl und logía (»Werk«) zusammen. Üblich sind die Trilogie (tri = drei Werke) und die Tetralogie (tetra = vier Werke). Aber auch Dilogien (zwei), Pentalogien (fünf), Hexalogien (sechs) und so weiter sind möglich.
- Monologie (1), Dilogie (2), Trilogie (3), Tetralogie (4), Pentalogie (5), Hexalogie (6), Heptalogie (7), Oktalogie (8), Ennealogie (9), Dekalogie (10), Undekalogie (11), Dodekalogie (12)

Sonstiges

- Wetterzyklus
- Zyklus (mittelalterlich Zeitangabe)

Siehe auch

- antizyklisch
- circa
- Enzyklika
- Recycling
- Zirkel
- Zyklon
- Zyklisierung oder Cyclisierung Kategorie:Abstraktum

Norm

Eine Norm ist
- allgemeine Bedeutung: eine als verbindlich anerkannte Regel oder Richtschnur, Leitfaden;
- der Sinn eines Normsatzes;
- ein von einer Normungsorganisation geschaffener Standard, siehe auch Normung;
- Recht: eine Rechtsnorm als eine gesetzliche Vorschrift (Gesetz, Verordnung, Richtlinie, Satzung);
- Mathematik (siehe auch Normalisierung (Mathematik)):
- Vektornorm: eine Verallgemeinerung der Begriffe Absolutbetrag einer Zahl und Länge eines Vektors für Elemente beliebiger Vektorräume: normierter Raum;
- Körpernorm: in der Algebra eine kanonische multiplikative Abbildung aus einem Erweiterungskörper in den zugehörigen Grundkörper, siehe Norm (Körpererweiterung);
- Soziologie: eine Werteordnung innerhalb einer Gesellschaft (Gesellschaftliche Norm)
- in einer Planwirtschaft zu leistende Arbeit, siehe Arbeitsnorm;
- in der Planwirtschaft der DDR eine Kennziffer, siehe Normativ (DDR). Kategorie:Nachricht

Quecksilber

Das chemische Element Quecksilber ist ein Metall. Es ist das einzige Metall und neben Brom das einzige Element, das bei Raumtemperatur flüssig ist. "Quecksilber" bedeutet ursprünglich "lebendiges Silber" (althochdeutsch quecsilbar zu germanisch kwikw = lebendig). Aufgrund seiner hohen Oberflächenspannung benetzt Quecksilber seine Unterlage nicht, sondern bildet abgeplattete einzelne Tröpfchen (Kohäsion). Das chemische Symbol des Quecksilbers ist Hg. Das ist die Abkürzung für hydrargyrum, zusammengesetzt aus der Vorsilbe hydr- und argyron = Silber, was aus dem Griechischen mit "flüssiges Silber" übersetzt werden kann. Vorallem ist es wie jedes andere Metall elektrisch leitfähig.

Vorkommen

Quecksilbervorkommen gibt es u. a. in Serbien, der Toskana, Italien, China und Spanien. Meist findet man es als Mineral in Form von Zinnober. Die Berichte über einen See aus gediegenem Quecksilber in Russland sind nicht belegbar. In Sibirien in der Nähe der Stadt Aktash gab es bis 1993 betriebene Quecksilberbergwerke. In etwa drei Kilometern Entfernung liegt der "Seelensee", der durch einen Fluss mit Abwassern aus der Quecksilbergewinnung verseucht wurde. Die Vegetation am Ufer des Sees zeigt deutlich die starke Umweltschädigung.

Verwendung

Thermometer

Die thermische Ausdehnung des Quecksilbers ist recht hoch und zwischen 0 °C und 100 °C direkt proportional zur Temperatur. Außerdem benetzt Quecksilber Glas nicht. Daher wird es gerne zum Einsatz in Thermometern benutzt. Bedingt durch seine starke Toxizität ist der Einsatz heutzutage auf den wissenschaftlichen Bereich beschränkt. Das erste Quecksilberthermometer wurde um 1720 von Daniel Gabriel Fahrenheit entwickelt.

Barometer

Die alte Bauform des Barometers ist ein u-förmiges, aufrecht stehendes Rohr, welches auf einer Seite oben geschlossen ist. Eine Quecksilbersäule in der geschlossenen Hälfte sinkt nur soweit ab, bis der Luftdruck und die Gewichtskraft des Quecksilbers sich im Kräftegleichgewicht befinden. Die alte Maßeinheit Torr für den Luftdruck ist daher die Höhe der Quecksilbersäule, wobei 1 mm Quecksilbersäule 133,21 Pascal entsprechen.

Amalgam

Quecksilber bildet mit anderen Metallen spontan Amalgame. Amalgame werden verbreitet als Zahnfüllmittel eingesetzt, da sie sich leicht verarbeiten lassen. In erkaltetem Zustand sind sie sehr widerstandsfähig. Sie sind jedoch in Verruf geraten, weil Quecksilberdämpfe giftig sind.

Elektrolyse

Weiter spielt es eine große Rolle bei der Herstellung von Erdalkalimetallen. Während der Elektrolyse wird das reduzierte Erdalkalimetall durch Quecksilber in einem Amalgam gebunden, damit es nicht sofort wieder eine chemische Bindung eingeht (Chloralkali-Elektrolyse). Das Amalgam wird später thermisch aufgebrochen.

Goldwäsche

Bei der Goldwäsche wird Quecksilber verwendet, um den feinen Goldstaub zu binden (siehe Amalgamation). Dies ist der Hauptgrund für die hohe Umweltverschmutzung bei dieser Art der Goldgewinnung. Siehe auch: Amazonas

Sonstige Anwendungen

In manchen Ländern werden/wurden quecksilberorganische Verbindungen zum Beizen von Saatgut verwendet. Dabei kam es im Irak 1971-1972 zu Massenvergiftungen infolge des Verzehrs von Saatgut. Verwendung in Knopfzellen, Quecksilberdampflampen, Energiesparlampen. Die Eigenschaft von Quecksilber sich wie eine nichtbenetzende Flüssigkeit zu verhalten (Ausnahme in Verbindung mit Kupfer) ist Grundlage für die Quecksilber-Porosimetrie. Hierbei wird, vereinfacht gesagt, Hg unter Druck (0 bis 4000 bar) in Poren unterschiedlicher Größe gedrückt. Über den aufgewendeten Druck und das dabei „verbrauchte“ Hg können Aussagen über die Beschaffenheit, Form, Verteilung und Größe von Poren und Hohlräumen gemacht werden. Anwendung findet diese Methode unter anderem in der Mineralogie und Pharmazie.

Wichtige Quecksilberverbindungen

- Quecksilber(I)-chlorid (Kalomel)
- Quecksilber(II)-oxid
- Quecksilber(II)-chlorid (Sublimat)
- Quecksilber(II)-amidchlorid (D0602Z)
- Quecksilber(II)-sulfid (Zinnober)
- Quecksilber(II)-fulminat (Knallquecksilber))

Trivia

- Bei den mittelalterlichen Alchemisten symbolisierte das Einhorn das Quecksilber.

Literatur

- Günther Tölg, Irmgard Lorenz: Quecksilber - ein Problemelement für den Menschen? Chemie in unserer Zeit 11(5), S. 150 – 156 (1977), ISSN 0009-2851
- Klaus Brodersen: Quecksilber - ein giftiges, nützliches und ungewöhnliches Edelmetall. Chemie in unserer Zeit 16(1), S. 23 – 31 (1982), ISSN 0009-2851
- Fritz Schweinsberg: Bedeutung von Quecksilber in der Umweltmedizin - eine Übersicht. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 7(5), S. 263-278 (2002), ISSN 1430-8681
- Ebinghaus, Ralf et al.: Mercury Contaminated Sites - Characterization, Risk Assessment and Remediation. Springer Verlag, Berlin 1999, ISBN 3-540-63731-1
- Watras, Carl J. and Huckabee, John W.: Mercury Pollution - Integration and Synthesis. Lewis Publishers, Ann Arbor 1994, ISBN 1-56670-066-3 LCCN 94-15244
- Dr. med. Joachim Mutter: Amalgam - Risiko für die Menschheit. Quecksilbervergiftungen richtig ausleiten. [http://www.fitfuerslebenverlag.de/katalog/Buecher_detail/amalgam.html Inhaltsangabe zum Buch] Fit fürs Leben Verlag in der NaturaViva Verlags GmbH, 71256 Weil der Stadt. ISBN 3-89881-522-6

Siehe auch

- Minamata-Krankheit (chronische Vergiftung durch Quecksilber)
- Hautaufhellung
- [http://www.mercury2006.org Konferenz in Madison/Wisconsin zu allen relevanten Quecksilber-Themen, August 2006]

Weblinks

- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Quecksilber Mineralienatlas - Quecksilber]
- [http://medicine-worldwide.de/meldungen/news_archive.html?id=1136 Quecksilberbelastung führt zur Alzheimerschen Erkrankung] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-12-Element Kategorie:Periode-6-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Schwermetall Kategorie:Gift ja:水銀 ko:수은 ms:Raksa simple:Mercury (element) th:ปรอท

Batterierecycling

Unter Batterierecycling wird die stoffliche Wiederverwertung von Batterien verstanden. Für gebrauchte Batterien besteht per Gesetz eine Rückgabepflicht für Verbraucher und eine Rücknahmepflicht für Handel, öffentlich-rechtliche Entsorgungsträger, Hersteller und Importeure; in Deutschland durch die Batterieverordnung, in der Schweiz durch den Anhang 10.4 der Stoffverordnung. In der Schweiz werden bereits 65,6 Prozent der gebrauchten Gerätebatterien wieder abgegeben und wiederverwertet (Stand: 30. Juni 2004). Eine Quote von 80 Prozent wird angestrebt. Obwohl jede Verkaufsstelle, die Batterien verkauft, diese auch zurücknehmen muss, beträgt die Rücklaufquote für Gerätebatterien in Deutschland nur 30 Prozent . Allein im Jahr 2004 nahm die Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien 11.733 Tonnen verbrauchte Gerätebatterien und Akkus zurück. Das entspricht 140 Gramm Batterien pro Einwohner. Die größte Anlage für Batterierecycling in Deutschland befindet sich in Bremerhaven. Dort werden 80 Prozent aller verbrauchten Batterien (Primärzellen) aus sämtlichen elektronischen Geräten sortiert (Stand: Herbst 2004; ohne Starterbatterien aus Kraftfahrzeugen). Die Sortenreinheit beträgt 98 bis 99 Prozent. Nach dem Trennen werden die Zellen verkauft und in Hochöfen eingeschmolzen. Besser ist die Lage bei Starterbatterien. Wer eine neue Starterbatterie kauft, muss 7,50 € Pfand zahlen, sofern er keine alte Batterie zurückgibt. Daher werden beinahe 100 Prozent der Bleibatterien in Deutschland gesammelt und wiederverwertet.

Weblinks

- [http://www.grs-batterien.de/ GRS Batterien], Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien in Deutschland
- [http://www.inobat.ch/ INOBAT], Interessenorganisation Batterieentsorgung in der Schweiz Kategorie:Sekundärrohstoff

Adapter

- Mit Adapter (von engl.: to adapt - anpassen) wird allgemein ein Gerät bezeichnet, das der Verbindung verschiedener mechanischer oder elektrischer Geräte dient, deren Anschlüsse wegen unterschiedlicher Formate oder Normen nicht zueinander passen. Der Adapter ermöglicht die Anpassung und damit den Austausch von Daten, Energie usw. Ein Beispiel sind Reisestecker, die die Verwendung von deutschen DIN-Steckern mit britischen Steckdosen ermöglichen.
- In der EDV ist ein "Netzwerkadapter" eine Netzwerkkarte, d.h. eine Schnittstellenkarte, die eine Verbindung zwischen einem Computer und einem Netzwerk (z.B. Ethernet, Token Ring oder ARCNET)herstellt. Diese Karte wird auch als "Adapterkarte" bezeichnet und kann auch heutzutage bereits auf der Hauptplatine enthalten sein, wodurch man zunehmend nur noch von einem "Netzwerkadapter" oder "Adapter" spricht. In einem Computer können mehrere gleichartige oder verschiedene Netzwerkadapter vorhanden sein. In der Regel wird an Arbeitsplätzen jedoch nur einer benutzt, Server nutzen gelegentlich zwei, mehr als zwei Netzwerk-Adapter sind meistens nur an Infrastruktur-Geräten wie Firewalls, Routern, Gateways und Bridges zu finden.
- In der objektorientierten Programmierung übersetzt ein "Adapter (Entwurfsmuster)" eine Schnittstelle in eine andere. Dadurch können Objekte miteinander kommunizieren, die nicht-kompatible Schnittstellen zur Verfügung stellen. Hier spricht man auch von einer Hülle (engl. wrapper).

Siehe auch

- Reisestecker

Redoxsystem

Ein Redoxsystem ist ein System, welches aus aus mehreren aneinander geketteten Molekülen besteht, eine so genannte Redoxkette. Die Funktion eines Redoxsystems besteht darinn, Elektronen zu leiten. Von Redoxsystemen ist meistens bei der Biologie die Rede. Zum Beispiel bei der Fotosynthese. Es gibt auch Batterien, die mit dem Redoxsystem in verbindung geraten.

Ablauf

Durch eine chemische Reaktion wird an einer Stelle eine Reduktion bei einem bestimmten Molekül initialisiert. Dieses Molekül oxidiert jedoch sofort, was wiederum zur Folge hat, dass das nächste Molekül in der Redoxkette reduziert wird. Nach diesem Schema läuft dieser ständige Wechsel des Zustandes ab, bis das Kettenende erreicht ist.

Trockenbatterie

Die Trockenbatterie ist eine von Georges Leclanché entwickelte Spezialform einer Kombination galvanischer Zellen (heutzutage besser bekannt unter der eigentlich unkorrekten Bezeichnung "Batterie"). In der Trockenbatterie liegt der Elektrolyt eingedickt vor als Gel. Eine andere Bezeichnung ist daher auch "Gel-Batterie" oder "Gel-Akkumulator". Häufig ist diese Gel-Verwendung kombiniert mit einer Kapselung, die jegliches Austreten des Elektrolyten verhindert. Dadurch wird die Batterie leichter transportierbar und kann in jeder beliebigen räumlichen Orientierung eingesetzt werden. Die Trockenbatterie ist dadurch die häufigste Energiequelle für transportable elektrische Kleingeräte. Häufige Verwendungen hierfür sind beim Camping zu finden, und als Akkumulator auf Booten. Ein bekanntes Gegenbeispiel zur Trockenbatterie ist die in Kraftfahrzeugen üblicherweise zum Einsatz kommende Starterbatterie, die mit einem flüssigen Elektrolyten, nämlich Schwefelsäure, gefüllt ist, und daher nur in aufrechter Position einsetzbar ist. Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

Taschenlampe

Eine Taschenlampe ist eine kleine, mobile Lichtquelle mit eigener Energieversorgung. Der Name ist entstanden, weil die meisten Taschenlampen klein genug sind um in einer Tasche verstaut werden zu können. Zuerst erfunden wurde sie vermutlich von Alessandro Volta im Jahr 1800.

Aufbau

Taschenlampen werden meist aus Kunststoff, seltener auch aus Metallen wie Aluminium hergestellt. Eine herkömmliche Taschenlampe besteht aus einem länglichen, oft runden, Griffstück, in das mittels eines Schraub- oder Schiebeverschlusses am Ende Batterien oder Akkus eingesetzt werden. Am vorderen Ende des Griffs befindet sich eine transparente Kunststoffscheibe, hinter der als eigentliche Lichtquelle eine Glühbirne sitzt, die wiederum zur optimalen Lichtnutzung von einem Parabolspiegel umfasst ist. In neueren Modellen werden oft statt einer Glühbirne auch eine oder mehrere Leuchtdioden verwendet. Der Spiegel entfällt bei Lampen mit Leuchtdioden meist, da hier der Spiegel bereits in die Diode integriert ist. Ansonsten besteht er fast immer aus beschichtetem Plastik. Normalerweise ist der Bereich um die Glühbirne breiter als das Griffstück. Bei Kunststofflampen sind zwischen Stromquelle, Schalter und Lichtquelle Kabel nötig, bei Metalllampen wird fast immer das Gehäuse selbst als Leiter verwendet. Die Stromquelle berührt dabei mit einem Pol direkt die Lichtquelle und mit dem anderen das Gehäuse, welches über einen Schalter mit dem zweiten Anschluss der Lichtquelle verbunden ist. Taschenlampen aus Metall sind in der Regel hochwertiger und belastbarer als Kunststofflampen, allerdings auch dementsprechend teuerer in der Anschaffung. Kunststofflampen sind weit verbreitet und werden teilweise sogar als Werbegeschenk verteilt, können aber bei guter Verarbeitung ebenso verwendet werden wie Metalllampen. Ihre Vorteile liegen in erster Linie im geringeren Gewicht und Preis.

Funktionsweise

Pol Die Batterien im Griff dienen der Lichtquelle als Stromquelle. Die verbreitetsten Varianten, um die Lampe an- und auszuschalten sind ein Drehbarer Lampenkopf (beispielsweise bei Taschenlampen des Typs MAG-LITE) oder ein im Griff eingelassener Schalter, der in seiner Ausführung wiederum differieren kann. Die Lichtquelle ist am Griffteil der Lampe befestigt, während der umgebende Spiegel am Drehbaren Kopf der Lampe angebracht ist. So ist durch Drehen des Kopfs eine Fokussierung des Lichtstrahls möglich. Genauso kann der Strahl allerdings absichtlich unscharf gestellt werden, um auf Kosten der Intensität eine größere Fläche zu beleuchten.

Einsatzmöglichkeiten

Die Einsatzmöglichkeiten für Taschenlampen sind äußerst vielfältig. Sie reichen vom Lichtspender während eines Sicherungswechsels bei Stromausfall über Nachtwanderungen und tagelange Campingtouren bis hin zu Tauchgängen in größerer Tiefe. Für die einzelnen Bereiche existieren dabei spezielle Lampentypen, beispielsweise solche mit größeren Batterien für längere Betriebsdauer oder wasserdichte Lampen zum Tauchen. Bei allen Arten von Rettungskräften gehören Taschenlampen zur Grundausstattung. Generell können mit Taschenlampen allerdings nur relativ kleine Flächen beleuchtet werden, um größere Bereiche auszuleuchten werden Scheinwerfer benötigt.

Spezielle Taschenlampen

Neben den herkömmlichen Taschenlampen existieren noch Lampen, die außer einer normalen Glühbirne seitlich im Griff noch über eine kleine Leuchtstoffröhre verfügen, mit deren Hilfe einerseits helleres Licht erzeugt und andererseits eine etwas größere Fläche mit gleichbleibender Intensität beleuchtet werden kann. Der Stromverbrauch solcher Lampen ist bis vor kurzem allerdings noch recht hoch gewesen, sodass die Batterien beim Einsatz der Leuchtstoffröhre schnell erschöpft waren. Ein weiteres oft anzutreffendes Extra ist ein orangefarbenes Blinklicht, das vor Allem zur Warnung, beispielsweise bei Autounfällen, gedacht ist. Auch Kompässe werden teilweise eingebaut, deren korrekte Funktion ist allerdings in Anbetracht der Stromleitungen in der Lampe und der resultierenden Magnetfelder fraglich. Bei derartigen "Abenteuerlampen" werden, um den größeren Strombedarf zu decken oder schlicht die Betriebsdauer zu erhöhen, oft sehr große und relativ viele Batterien oder Akkus eingesetzt. Das erhöht einerseits das Gewicht der Lampe und macht sie größer, und führt andererseits zu Veränderungen in der Konstruktion. Da der Griff durch viele und große Batterien zu dick wird, um die Lampe in einer Hand zu halten, wird dazu stattdessen ein zusätzlicher Plastik- oder Metallbügel an der Oberseite der Lampe befestigt. Konstruktion Es gibt auch Taschenlampen, die ohne Batterien funktionieren. Diese enthalten einen fest eingebauten Akku, der durch Schütteln der Lampe oder mittels Solarzellen durch (Sonnen-)Licht aufgeladen wird und die Lampe so vollkommen unabhängig von äußeren Stromquellen macht. Oftmals reicht die erzeugte Energie allerdings nur für wenige Minuten, obwohl Herstellerangaben mit zwei Stunden Leuchtdauer nach zehn Minuten Schütteln Gegenteiliges versprechen. Auch gibt es Taschenlampen, die über einen Dynamo (Generator) verfügen, der durch eine Kurbel angetrieben wird, wodurch die Akkus aufgeladen werden. Derartige Taschenlampen verfügen dann zumeist über LEDs, die weniger Strom als Glühlampen benötigen. Kategorie:Lichttechnik ja:懐中電灯

Starterbatterie

Die Starterbatterie (auch Autobatterie oder Fahrzeugbatterie, englischsprachiger Fachbegriff: SLI battery für Start, Light, Ignition) hat als Hauptaufgabe, beim Anlassen eines Kraftfahrzeugs den elektrischen Anlasser des Verbrennungsmotors anzutreiben. Außerdem versorgt sie alle weiteren elektrischen Verbraucher im Fahrzeug mit Strom - eine Aufgabe, die bei einer wachsenden Zahl von Komfortfunktionen im Auto immer bedeutender wird. Die Batterie wird während der Fahrt von einem Generator, der sogenannten Lichtmaschine, geladen. Werden dagegen Batterien als Energiequelle für den Antrieb genutzt, beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, so werden diese als Traktionsbatterien bezeichnet. Eine besondere Anforderung an Starterbatterien ist die Hochstromfähigkeit, da zum Anlassen kurzzeitig ein sehr hoher Strom benötigt wird. Die Starterbatterie muss in der Lage sein, diesen auch im Winter bei sehr niedrigen Außentemperaturen zu liefern. Die meisten Starterbatterien sind Bleiakkumulatoren, da diese die genannten Anforderungen in preiswerter Weise erfüllen. Die tatsächliche Spannung des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen liegt während der Fahrt über der Nennspannung der Batterie, da diese während der Fahrt geladen werden soll. Dennoch wird gewöhnlich die Nennspannung der Batterie als Spannung des Bordnetzes angegeben. Bei Pkw sind 12 Volt üblich, bei Lkw 24 Volt, bei älteren Pkw und Motorrädern waren/sind auch 6 Volt verbreitet. Bei vielen Automobil-Herstellern laufen Versuche, das bisherige 12-Volt-Bordnetz langfristig mit höheren Spannungen zu betreiben (42-Volt-Bordnetz, mit 36-Volt-Batterie). Dadurch ist es möglich, die Leitungsquerschnitte zu verringern, da bei gleicher Leistung weniger Strom fließen würde, oder die übertragbare Leistung zu erhöhen. Weiterhin würden dadurch die Spannungsverluste an Kontakten sinken und damit die Störungssicherheit erhöht werden. Siehe auch: Starthilfe, Themenliste Fahrzeugtechnik Kategorie:Energiespeicher Kategorie:Kraftfahrzeugtechnik

Traktionsbatterie

Traktionsbatterien finden hauptsächlich Anwendung als Energielieferant für elektrisch betriebene Fahrzeuge. Meist kommen Akkumulatoren zur Anwendung, da sie wiederaufladbar und damit mehrfach verwendbar sind. Sie sind in der Lage ihre gespeicherte Energie über längere Zeiträume abzugeben und viele Lade/Entladezyklen zu überstehen. Der Bleiakkumulator ist wohl die am häufigsten verwendete Batterie, jedoch wird intensiv an der Verwendung von Akkus mit einer höreren Energiedichte und besserem Masse/Energieverhältnis geforscht. Auch Nickel-Cadmium-Akkus haben eine weite Verbreitung gefunden. Speziell dem Lithium-Ionen-Akku wird ein großes Entwicklungspotential für die Zukunft vorausgesagt. Kategorie:Elektrofahrzeug Kategorie:Energiespeicher HAWKER (VARTA) ist die bekannteste Marke

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), englisch Uninterruptable Power Supply, Uninterruptible Power Source (UPS), soll beim Ausfall der Netzspannung die Stromversorgung sicherstellen und auch Schwankungen im Stromnetz der Energieversorgungsunternehmen beim Verbraucher ausgleichen. Einschaltstromstöße größerer Elektromotoren oder Belastungsstöße, hervorgerufen durch verschiedenartige Verbraucher wie zum Beispiel Punktschweißmaschinen erzeugen im Betrieb ungewollte Netzrückwirkungen. Auch Kurzschlüsse in der Nachbarschaft können Spannungseinsenkungen verursachen. Die Energieversorger speisen zwar "konstante" Spannungen in ihr Stromnetz, die Vielzahl der Verbraucher verursacht jedoch Spannungseinsenkungen, die sensible Geräte in ihrer vollständigen Funktionsweise beeinträchtigen können. Besonders in der Umgebung größerer Verbraucher kann dies der Fall sein. USVs können diese Schwankungen ausgleichen, indem sie die empfindlichen Geräte mit Wechselrichtern, gespeist aus einer Batterie, betreiben. Die Batterie wird dabei ständig vom Netz nachgeladen. Ähnlich erfolgt auch die Stromversorgung von Notebooks wenn der Netzstecker angesteckt ist (Netzausfälle und Spannungseinbrüche haben keine Folgen). USVs werden unter anderem in Krankenhäusern, Fernseh- und Radiostationen, Rechenzentren und Einsatzzentralen für Server, PCs, Bildschirme an zentralen Arbeitsplätzen sowie Router eingesetzt.

Schadenspotenziale

Je nach Ausstattung und Bedarf soll eine USV die angeschlossenen Systeme vor folgenden Schadenspotenzialen schützen: # Stromausfall # Spannungsschwankungen # Spannungsstösse # Unterspannung # Überspannung # Blitzeinwirkung/Schaltspitzen # Störspannungen # Frequenzänderungen # harmonische Oberschwingungen

Ausstattung

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung wird je nach Leistungsbedarf durch ein System aus Akkumulatoren, Steuer- und Umrichtelektronik sichergestellt, bei einem größeren Leistungsbedarf kommen auch Notstromgeneratoren zum Einsatz. Beim Einsatz in Rechenzentren werden oft nur USVs geringer Leistung benutzt, um kurze Stromschwankungen auszugleichen und bei Stromausfall die Systeme nach einer festlegbaren Zeitspanne (z.B. Stromausfall von mehr als 10 Minuten Dauer) geregelt herunterfahren zu können. Geöffnete Dateien, zum Beispiel sensible Datenbanken, werden so kontrolliert geschlossen. Die beigefügte Software erfüllt neben der Beobachtung der Netzspannung eine Pflegefunktion der Akkus. So können die Akkus einmal im Monat um 25 % der Energie entladen werden, ohne dass der Betrieb unterbrochen werden müsste. Nach 3 bis 4 Jahren sollte dennoch die USV gegen eine neue ersetzt, oder zumindest die Akkus ersetzt werden. Es gibt USVs mit verschiedenen Leistungsstärken (300 W, 1000 W usw.). Teurere Geräte fangen neben Spannungsspitzen auch Frequenzschwankungen des Netzes usw. ab. Das umfasst jedoch keinen vollständigen Blitzschutz. Bei der Frage der Umschaltzeiten ist zu berücksichtigen, dass Kondensatoren und Spulen der Netzteile ausreichend Energie für einige Millisekunden speichern, denn bei der Versorgung durch Wechselspannung gibt es 100mal pro Sekunde reguläre Totpunkte. Bei sensiblen Geräten sind jedoch besonders kurze Umschaltzeiten erforderlich. Man unterscheidet drei Hauptklassen von USVs, die so genannten Offline-, Line Interactive- und Online-USVs. Die relativ neue Norm EN 62040-3 definiert USVs nach VFD (Voltage+Frequency Dependent), VI (Voltage Independent) und VFI (Voltage+Frequency Independent) [http://www.jovyatlas.de/ccms/download/fachbeitragusvanbindung.pdf].

VFD (Voltage and Frequency Dependent from main supply) Offline-USV

Bei USVs dieser Bauart wird im Normalbetrieb der Strom direkt vom Netz an die angeschlossenen Geräte weitergeleitet. Sollte die Netzversorgung abbrechen, so schaltet die USV auf Akkubetrieb um. Bei dieser Umschaltung kommt es je nach Modell jedoch zu Schaltverzögerungen von 2 bis 10 Millisekunden, für einige sehr empfindliche Geräte kann dies bereits zu lange sein. Diese USV-Modelle bieten einen Schutz vor Unter- bzw. Überspannung, indem sie bei größeren Spannungsschwankungen auf Batteriebetrieb umschalten. Umschaltzeit hierbei beträgt etwa 4-8 ms. VFD-USVs sind auch unter dem Namen Offline, Stand-by, Bereitschaftsbetrieb oder passiver Mitlaufbetrieb bekannt.

VI (Voltage Independent from main supply) Line-Interactive-USV

Bei diesen USVs handelt es sich um eine verbesserte Variante der Offline USV. Diese USVs verfügen über eine eigene Intelligenz, die konstant dafür sorgt, dass die Ein- und Ausgangsspannung sofort gemessen wird sowie der Akku konstant über einen Gleichrichter geladen wird. Die Umschaltzeit bei Stromunterbrechung ist kürzer als bei der Offline Topologie und liegt bei etwa 2 - 6 ms. Auch haben Line-Interactive USVs einen Schutz vor Über- und Unterspannung durch Transformation und bieten in der Regel einen zuverlässigeren Schutz vor Spannungsproblemen (Schadenspotentiale 1 - 5; siehe oben). VI-USVs sind auch unter dem Namen Single-Conversion, Delta-Conversion Line-Interactive oder aktiver Mitlaufbetrieb bekannt.

VFI (Voltage and Frequency Independent) Online-USV

Bei USVs dieser Bauart werden sowohl im Normalbetrieb als auch im Fall eines Netzausfalles die angeschlossenen Geräte über den Wechselrichter versorgt. Ein Gleichrichter versorgt im Normalfall sowohl den Wechselrichter als auch die Akkus. Fällt die Netzversorgung aus, wird ohne jede Verzögerung sofort der Wechselrichter von den Akkus versorgt. Für Servicezwecke verfügen Online-USVs über eine so genannte Bypass-Schaltung, damit werden die versorgten Geräte vom Wechselrichter entkoppelt, so dass die USV ohne Gefahr für die Geräte abgeschaltet werden kann. Diese Modelle schützen vor Unter- bzw. Überspannung sowie Störspannung oder Frequenzschwankungen im öffentlichen Stromnetz (Schadenspotentiale 1 - 9; siehe oben). Da ständig Strom durch die gesamte USV fließt, können nur sehr gute Bauelemente verwendet werden. Dadurch sind VFI-USVs am teuersten. VFI-USVs sind auch unter dem Namen Online, Double-Conversion, Dauerbetrieb oder Dauerumwandler bekannt.

Siehe auch

- APU
- IT-Grundschutz Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:無停電電源装置

Galvanische Zelle

Beispiele

Weblinks

Alkali-Mangan-Batterie

Die Alkali-Mangan-Batterie beziehungsweise Alkali-Mangan-Zelle ist ein galvanisches Element und zählt zu den wichtigsten elektrochemischen Energiespeichern. Aufgrund höherer Kapazität, besserer Belastbarkeit und längerer Lagerfähigkeit hat sie die Zink-Kohle-Batterie aus vielen Anwendungen verdrängt. Die Alkali-Mangan-Zelle wäre treffender als Zink-Braunstein-Zelle mit alkalischem Elektrolyt beschrieben, da der elektrochemisch aktive Stoff in der negativen Elektrode Zink und in der positiven Elektrode Braunstein (Mangandioxid) ist. Als Elektrolyt wird konzentrierte Kalilauge (Kaliumhydroxid-Lösung) verwendet. Die Alkali-Mangan-Zelle wird zu den Primärelementen, das heißt den nicht-wiederaufladbaren Batterien gezählt. Es gibt begrenzt wiederaufladbare Versionen, die so genannten RAM-Zellen (Rechargeable Alkaline Manganese), die zu den Sekundärelementen (Akkumulatoren) gerechnet werden. Letztere haben allerdings keine weite Verbreitung gefunden. Die wichtigsten Bauformen sind zylindrische Rundzellen (beispielsweise LR6 = Alkali-Mangan AA oder Mignon) und Knopfzellen (beispielsweise LR44). Mehrere Einzelzellen können auch zu Batterien kombiniert sein (beispielsweise 6LR61 = Alkali-Mangan 9 V Block aus sechs Zellen).

Elektrochemie

Wie bei der Zink-Braunstein-Zelle liefert die Oxidation von Zink und die Reduktion von Mangandioxid (Braunstein) die elektrische Energie. Die bei der Oxidation freigesetzten Elektronen wandern unter Leistungsabgabe durch den äußeren Stromkreis mit dem Verbraucher von der Anode (negative Elektrode) zur Kathode (positive Elektrode). Zum Ladungsausgleich wandern durch den Elektrolyten OH^- Ionen von der Kathode zur Anode. Die in der Alkali-Mangan-Zelle ablaufenden Reaktionen sind komplex und werden im Folgenden vereinfacht dargestellt.

Anodenreaktionen

Bei der Entladung wird in der Anode metallisches Zink (Zn) oxidiert. Dabei werden zwei Elektronen abgegeben, die Ladung von Zink wird von ±0 auf +II erhöht. Das Reaktionsprodukt hängt von den Bedingungen, unter denen die Oxidation erfolgt, ab. Zu Beginn der Entladung, das heißt bei hoher OH^- Konzentration, wird über verschiedene Zwischenstufen das gut im alkalischen Elektrolyten lösliche Tetrahydroxozinkat-ion (Zn(OH)₄^2-), kurz Zinkat, gebildet. :

Zn + 4OH^- \rightarrow Zn(OH)_4^ + 2e^-

Wenn der Elektrolyt mit Zinkat übersättigt ist, beginnt Zinkoxid (ZnO) auszufallen. :

Zn(OH)_4^ \rightarrow ZnO + 2OH^- + H_2O

Bei fortschreitender Entladung, das heißt bei niedrigerer OH^- Konzentration, wird dann Zinkhydroxid (Zn(OH)₂) gebildet. Aus diesem entsteht unter Abgabe von Wasser langsam wiederum Zinkoxid (ZnO). :

Zn + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2 + 2e^-

Zn(OH)_2  \rightarrow ZnO + H_2O

Kathodenreaktionen

Bei der Entladung wird in der Kathode Mangandioxid (MnO₂) zu Mangansuperoxid (MnOOH) reduziert. Dabei wird ein Elektron aufgenommen, die Ladung des Mangans wird von +IV auf +III erniedrigt. Diese Reaktion wird als erste Entladestufe bezeichnet. :

MnO_2 + H_2O + e^- \rightarrow MnOOH + OH^-

Unter bestimmten Bedingungen kann bei milden Entladungen in einer langsamen Reaktion Manganoxidhydroxid (MnOOH) noch weiter reduziert werden. Diese Reaktion wird als zweite Entladestufe bezeichnet. :

MnOOH + H_2O + e^- \rightarrow Mn(OH)_2 + OH^-

Gesamtreaktion

Wird nur die erste Entladestufe berücksichtigt, ergibt sich für die Gesamtreaktion in der Alkali-Mangan-Zelle: :

Zn + 2MnO_2 + H_2O  \rightarrow  ZnO + 2MnOOH

Wie aus der Gesamtreaktionsgleichung ersichtlich, wird bei der Entladung Wasser verbraucht, eine verbrauchte Alkali-Mangan-Zelle ist daher „trocken“.

Nebenreaktionen

Zink ist in stark alkalischer Lösung thermodynamisch instabil. Wie aus der elektrochemischen Spannungsreihe ersichtlich wird daher als Nebenreaktion in der Anode Zink (Zn) oxidiert und Wasser (H₂O) zu gasförmigem Wasserstoff (H₂) reduziert. :

Zn + 2H_2O + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_4^ + H_2

Diese als "Gasung" bezeichnete Reaktion läuft bei der Lagerung von nicht entladenen und teilentladenen Zellen ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist für hochreines Zink relativ gering. Bereits kleine Mengen von Verunreinigungen (beispielsweise Schwermetalle wie Eisen, Kupfer, Molybdän und Nickel) können die Gasung jedoch drastisch erhöhen.

Aufbau

Nickel Das Bild rechts zeigt zwei aufgeschnittene Alkali-Mangan-Zellen und den abgetrennten oberen Bereich. Der Plus-Pol ist, anders als bei einer Zink-Braunstein-Zelle, Teil des Außenmantels und elektrisch mit ihm verbunden. Im Inneren bildet gepresster Braunstein die Kathode, im Bild als schwarzer Ring innerhalb des Mantels zu erkennen. Die Anode besteht aus einer Paste aus Zink und Kaliumhydroxid, eingewickelt in ionendurchlässiges Faserpapier. In der mittleren Ansicht ragt es über die abgeschnittene Zelle hinaus. Links erkennt man den Metallstift, der den elektrischen Kontakt mit der Bodenplatte herstellt und Minus-Pol bildet.
Kaliumhydroxid Eine 9 V Alkali-Mangan Blockbatterie enthält 6 Rundzellen. Ihre Anordnung innerhalb des Batterie-Gehäuses ist links im Bild zu erkennen. Rechts sieht man drei Zellen im Querschnitt. Die Kapselung der Einzelzellen erhöht die Auslaufsicherheit, reduziert aber die Packungsdichte und damit die Kapazität.

Eigenschaften

Spannung

Die Nennspannung der Alkali-Mangan-Zelle liegt bei 1,5 V. Höhere Spannungen können durch Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen erzielt werden, beispielsweise mit drei Zellen bei der Normalbatterie 3LR12 4,5 V, mit vier Zellen beim Flat-Pack 4LR61 6 V und mit sechs Zellen beim E-Block 6LR61 9 V. Die tatsächliche Leerlaufspannung einer nicht entladenen Alkali-Mangan-Zelle liegt meist im Bereich 1,50 bis 1,65 V - sie hängt hauptsächlich von der Aktivität des verwendeten Mangandioxides und dem Zinkoxidgehalt in der Elektrolytlösung ab. Die (mittlere) Lastspannung hängt von der Belastung und dem Entladegrad ab, sie beträgt typischerweise 1,10 bis 1,30 V. Entladeschlußspannungen liegen meist im Bereich 0,8 bis 1,0 V.

Entladung

Leerlaufspannung.]] Das Diagramm vergleicht die Belastungskurven bei konstantem Strom einer Zink-Braunstein-Zelle und eines NiMH-Akkus mit der einer Alkali-Mangan-Zelle. Die Spannung der Zink-Braunstein-Zelle fällt nach kurzer Zeit unter 0,8 V ab. Ein Akku hält die Spannung von 1,2 V über einen langen Zeitraum. Das Zeitverhalten einer Alkali-Mangan-Zelle liegt zwischen den beiden Kurven, die Spannung nimmt langsam mit der Zeit ab. Bei einer Steigerung der Belastung erreicht die Alkali-Mangan-Zelle die 0,8 V Grenze überproportional schnell. Der gestiegene Innenwiderstand verhindert die Bereitstellung der Leistung, obwohl Kapazitätsreserven von 20% und mehr vorhanden sein können. Nach einer Regenerationszeit von einigen Stunden sinkt der Innenwiderstand und die Batterie kann mit kleiner Leistung weiter arbeiten. Beispiel: Alkali-Batterien in Hochleistungs-Verbrauchern scheinen nach kurzer Zeit leer zu sein. Nach einer Pause von mehreren Stunden arbeiten sie kurzzeitig wieder. Anschließend sind sie nicht mehr in der Lage, den hohen Strombedarf zu decken. Aus Sicht des Hochleistungs-Verbrauchers sind die Batterien erschöpft, obwohl sie noch eine Restkapazität von 30% besitzen können. Anstatt sie wegzuwerfen, sollten sie für Verbraucher mit geringerem Leistungsbedarf genutzt werden.

Vergleich Alkali-Mangan- und Zink-Braunstein-Zelle

Wiederaufladen

Teilentladene Alkali-Mangan-Primärbatterien können unter Umständen mehrfach (5-20 Mal) wieder aufgeladen werden. Dazu legt man an eine Zelle eine Konstantspannung von 1.65 V an, der Ladestrom stellt sich entsprechend ein. Ladegeräte für Nickel-Cadmium (Ni-Cd) oder Nickel-Metallhydrid (Ni-MH) Akkus sind nicht geeignet. Hinweis: Kommerzielle RAM-Ladegeräte arbeiten auch mit konstantem Ladestrom, der jede Sekunde für wenige Millisekunden unterbrochen wird um die stromlose Zellenspannung zu messen. Wenn diese 1,73 Volt überschreitet wird der Ladestrom so lange abgeschaltet, bis die Zellenspannung 1,69 Volt wieder unterschritten hat. Die Konstantspannungsmethode ist zwar langsamer, aber dafür sicherer, erst recht, wenn man die stromlose Zellenspannung nicht erfassen kann. Die Aufladung wird umso schwieriger, je mehr die Batterie vorher entladen wurde – vollständig entladene Batterien können kaum mehr geladen werden. Primärbatterien sind nicht zum Wiederaufladen ausgelegt. Sie können undicht werden und auslaufen. Eine Explosion einer Alkali-Mangan-Zelle ist aber unwahrscheinlich (geringe Druckfestigkeit, Berstschutz). Warnhinweis
Alkali-Mangan-Primärzellen können durch Wiederaufladen undicht werden und auslaufen. Die alkalische Kalilauge ist ätzend. Verletzungen und Beschädigungen von Geräten können die Folge sein. Das Wiederaufladen von primären Alkali-Mangan-Primärbatterien erfolgt auf eigene Verantwortung. Kein Hersteller, auch nicht die Wikipedia, übernimmt dafür Garantie oder Haftung. Ausgenommen sind Alkali-Mangan-Zellen, die explizit als wiederladefähig verkauft werden.

Literatur

- Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren - Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998 ISBN 3-540-62997-1
- David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002 ISBN 0-071-35978-8 (auf Englisch)
- Karl V. Kordesch (Hrsg.): Batteries Volume 1 Manganese Dioxide. Marcel Dekker, New York 1974 ISBN 0-8247-6084-0 (auf Englisch)

Weblinks

- [http://data.energizer.com/ Datenblätter einiger Batterien] (auf Englisch)
- [http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/zink.html Übersicht über technische Daten von Batterien]
- [http://www.ife.ee.ethz.ch/~zinniker/batak/ Vergleich der Leistungsdaten von Batterien und Akkus]
- http://www.grs-batterien.de Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:アルカリマンガン乾電池

Lithium-Eisensulfid-Batterie

Die Lithium-Eisensulfid-Batterie beziehungsweise Lithium-Eisensulfid-Zelle ist ein galvanisches Element und zählt zu den nicht wiederaufladbaren Lithium-Batterien (Primärbatterien). Die Anode (negative Elektrode) besteht aus metallischem Lithium und die Kathode (positive Elektrode) besteht aus Eisensulfid. Der Elektrolyt ist eine Lösung von Lithiumiodid (LiI) in einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Die Nennspannung einer Zelle beträgt 1,5 V, deshalb kann sie als Ersatz für andere verbreitete Gerätebatterien (Alkali-Mangan-Batterie, Zink-Kohle-Batterie) dienen. Vorteile gegenüber diesen sind höhere Kapazität (insbesondere bei Entladungen mit hohen Strömen und bei tiefen Temperaturen) und längere Lagerfähigkeit. Nachteil ist der deutlich höhere Preis, der durch die aufwändigere Konstruktion bedingt ist. 1979 wurden Lithium-Eisensulfid Knopfzellen als preisgünstige Alternative zu Silberoxid-Zink-Batterien für Uhren vorgestellt. Aufgrund des fallenden Preises für Silber wurden diese jedoch bald wieder vom Markt genommen. Rundzellen der Baugrößen Mignon (AA) und Micro (AAA) sind seit 1992 beziehungsweise 2004 erhältlich. Prototypen von Hochtemperatur-Lithium-Eisensulfid-Akkumulatoren zur Anwendung als Traktionsbatterie wurden in den 1970er/1980er Jahren am Argonne National Laboratory (Illinois, USA) entwickelt.

Elektrochemie

In der Lithium-Eisensulfid-Zelle liefern die Oxidation von Lithium und die Reduktion von Eisensulfid die elektrische Energie. Die theoretische Kapazität von Lithium beträgt 3,86 Ah/g, von Eisensulfid (FeS) 0,61 Ah/g und von Eisendisulfid (FeS₂) 0,89 Ah/g. Die in der Zelle ablaufenden Reaktionen sind komplex und werden im folgenden vereinfacht dargestellt. Beim Entladen wird in der Anode metallisches Lithium (Li) zu Lithium-Ionen oxidiert. Die Oxidationszahl von Lithium erhöht sich dabei von ±0 auf +I. Anodenreaktion:

4Li \rightarrow 4Li^+ + 4e^-

Beim Entladen wird in der Kathode Eisendisulfid (FeS₂) zu Eisen (Fe) und Sulfid-Ionen (S^2-) reduziert. Die Oxidationszahl von Eisen verringert sich dabei von +2 zu ±0, die (formale) Oxidationszahl von Schwefel verringert sich dabei von -I im Disulfid-Ion (S₂^2-) auf -II im Sulfid-Ion (S^2-). Alternativ kann auch Eisensulfid (FeS) als Kathodenmaterial verwendet werden. In diesem Fall wird bei der Entladung nur Eisensulfid zu Eisen reduziert. Die Oxidationszahl von Eisen verringert sich dabei von +2 zu +/-0. In der Praxis wird nur FeS₂ als Kathodenmaterial verwendet, da die Zellspannung und Kapazität in diesem Fall höher sind. Kathodenreaktion (FeS₂):

FeS_2 + 4e^- \rightarrow Fe + 2S^

Kathodenreaktion (FeS):

FeS + 2e^- \rightarrow Fe + S^

Die Gesamtreaktion kann wie folgt dargestellt werden: Gesamtreaktion (Li-FeS₂):

4Li + FeS_2 \rightarrow Fe + 2Li_2S

Gesamtreaktion (Li-FeS):

2Li + FeS \rightarrow Fe + Li_2S

Als Elektrolyt wird ein Gemisch verschiedener organischer Lösungsmittel (1,3-Dioxolan, 1,2-Dimethoxyethan) mit Lithiumiodid (LiI) verwendet.

Aufbau

Die im Handel erhältlichen zylindrischen Li-FeS₂ Rundzellen in den Baugrößen Micro (AAA) mit der IEC-Bezeichnung FR03 und Mignon (AA) mit der IEC-Bezeichnung FR6 sind sogenannte Wickelzellen. Das heißt, die Elektroden sind Folien und werden mit dem dazwischenliegenden mikroporösen Separator aus Polyethylen oder Polypropylen zu einer Rolle gewickelt. Die Anodenfolie besteht aus Lithium und die Kathodenfolie aus einem mit Eisendisulfid beschichteten metallischem Träger. Zum Schutz gegen einen externen Kurzschluss ist die Zelle mit einem Thermoschalter (PTC-Widerstand) ausgestattet. Aufgrund des hohen Stromflusses beim Kurzschluß erwärmt sich die Zelle stark. Wenn die Aktivierungstemperatur des Thermoschalters erreicht wird, nimmt sein Widerstand zu und der Stromfluss (und damit die Wärmeentwicklung) wird begrenzt.

Eigenschaften

Die Nennspanung der Lithium-Eisensulfid-Zelle beträgt 1,5 V. Die Leerlaufspannung liegt bei etwa 1,8 V. Die Lastspannung ist im Vergleich zu Alkali-Mangan-Zellen bei gleicher Belastung höher und die Entladekennline verläuft flacher. Dadurch erklärt sich die höhere Belastbarkeit und Kapazität von Lithium-Eisensulfid-Zellen im Vergleich zu Alkali-Mangan-Zellen bei Einsatz in Anwendungen mit hohem Strom- beziehungsweise Leistungsbedarf (beispielsweise Digitalkameras und Blitzgeräten). Je kleiner der Strom- beziehungsweise Leistungsbedarf der Anwendung, desto geringer wird der Vorteil der Lithium-Eisensulfid-Zelle. Lithium-Eisendisulfid-Zellen können im Temperaturbereich von etwa -40°C bis 60°C betrieben werden. Wie bei allen Batteriensystemen wird die tatsächlich entnehmbare Kapazität mit steigender Temperatur höher. Die Lithium-Eisensulfid-Batterie zeichnet sich durch sehr gute Lagerfähigkeit aus (laut Herstellerangaben 10-15 Jahre).

Siehe auch

- Galvanisches Element
- Batterie
- Lithium-Batterie
- Alkali-Mangan-Batterie
- Zink-Braunstein-Zelle

Literatur

Weblinks

- [http://data.energizer.com/PDFs/l91.pdf Datenblatt Lithium-Eisendisulfid Zelle FR6] (Englisch)
- [http://data.energizer.com/PDFs/l92.pdf Datenblatt Lithium-Eisendisulfid Zelle FR03] (Englisch)
- [http://www.batteriesdigest.com/id384.htm Informationen zum Entladeverhalten und zur Lagerfähigkeit der Lithium-Eisendisulfid Zelle] (Englisch) Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

Quecksilberoxid-Zink-Batterie

Quecksilberoxid-Batterien sind als Knopfzellen im Handel. Sie haben eine Zinkpulveranode und eine Kathode aus Quecksilberoxid. Den Elektrolyten bildet eine geleeartige Masse aus Kaliumhydroxid. Eine Quecksilberoxid-Batterie liefert eine Spannung von 1,35 Volt. Beim Betrieb der Batterie laufen vereinfacht folgende Reaktionen ab: Reduktion:

HgO + H_2O + 2 e- \rightarrow Hg + 2OH^-

Oxidation:

Zn + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2 + 2e^-

Die Redoxreaktion kann verkürzt wie folgt beschrieben werden:

\mathrm

Die Gesamtreaktion sieht wie folgend aus:

Zn + HgO + H_2O \rightarrow Zn(OH)_2 + Hg

Knopfzellen werden in Geräten eingesetzt, die wenig Strom verbrauchen und klein sind, wie z. B. in Armbanduhren. Diese Knopfzellen stellen aber bei nicht fachgerechter Entsorgung ein großes Problem für die Umwelt dar. Sie enthalten, wenn sie verbraucht sind, Quecksilber. Bei Beschädigung der Zelle tritt das Quecksilber aus und verseucht die Umwelt. Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

Silberoxid-Zink-Batterie

Silberoxid-Zink-Batterien sind Primärzellen, die in Form von Knopfbatterien im Handel sind. Die Anode einer Silberoxid-Zink-Batterie besteht aus Zinkpulver, das im Verlauf der Entladung oxidiert wird. Die Kathode besteht aus Silberoxid, das beim Entladen zu elementarem Silber reduziert wird. Als Elektrolyt kommt verdünnte Kalilauge zum Einsatz. Die Spannung einer solchen Zelle beträgt etwa 1,5V. Vereinfacht laufen bei der Entladung folgende Reaktionen ab: Reduktion:

\mathrm

Oxidation:

\mathrm

Redox:

\mathrm

Gesamt:

\mathrm

Die Entlade-Reaktionen verlaufen sehr ähnlich wie die der Quecksilberoxid-Zink-Batterie. Im Gegensatz zur Quecksilberbatterie entsteht bei der Silberoxid-Zink-Batterie beim Entladen kein hochgiftiges Quecksilber. Die Silberoxid-Zink-Batterie ist eine Primärzelle und lässt sich daher nicht wieder wieder aufladen. Beim Aufladen würde sich der Elektrolyt zersetzen, was meist zur Zerstörung der Batterie führt. Kategorie:Energiespeicher

Galvanische Zelle

Beispiele

Weblinks

Bleiakkumulator

Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku oder auch fälschlicherweise Bleibatterie) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht. Bleiakkumulatoren gelten als zuverlässig und preisgünstig, im Vergleich mit anderen Akkumulatortechnologien sind sie jedoch schwer und weisen nur eine geringe Energiedichte auf. Die wohl bekannteste Anwendung ist die Starterbatterie für Kraftfahrzeuge. Sie werden jedoch unter anderem auch als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Siehe auch: Batterie

Geschichte

Die ersten Versuche einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln wurden Mitte des 19. Jahrhunderts von dem deutschem Arzt Josef Sinsteden gemacht. Er stellte zwei große Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure. Durch Laden des Akkus entstand an einer der Platten Bleioxid und an der anderen Blei. 1859 verbesserte Gaston Planté die Anordnung der Bleiplatten, die auch heute noch verwendet wird. Industriell wurde der Bleiakku interessant, als Emile Alphonse Faure um 1880 ein Verfahren entwickelte, bei dem der Bleiakku bereits nach wenigen Ladezyklen (dem sog. Formieren), eine hohe Kapazität erreicht.

Aufbau

Bleiakkumulatoren bestehen am positiven Pol aus Bleidioxid (PbO₂), am negativen aus fein verteiltem, porösem Blei (Bleischwamm). Als Elektrolyt wird 20 bis 40%-ige Schwefelsäure (H₂SO₄) verwendet. Sie zeichnen sich durch das kurzzeitige Zulassen hoher Stromstärken, die zum Beispiel für Fahrzeug- bzw. Starterbatterien notwendig sind, aus. Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Blei(II)-sulfat (PbSO₄). Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 Volt, sie schwankt jedoch je nach Ladezustand und Lade-/Entladestrom zwischen ca. 1,75–2,4 Volt. Die Säuredichte stellt gleichzeitig ein Maß für den Ladezustand dar. Sie beträgt bei vollem Akku ca. 1,28 g/cm³ und bei entladenem Akku 1,10 g/cm³ (Quelle Varta-Batterielexikon). Bleiakkumulatoren sollten nicht tiefentladen werden, da dies zu irreparablen Schäden führt und den Akkumulator unbrauchbar machen kann. Zum Aufladen sollte ein passender Laderegler verwendet werden, um Überladung zu vermeiden und die Gasung zu beschränken. Ein Bleiakkumulator kann gasen, wenn er, vor allem durch Edelmetalle, verunreinigt wird. Dabei lagern sich Teile des Edelmetalls an der Bleielektrode an und verringern so die Überspannung des Wasserstoffs, so kann Knallgas entstehen. Mittlerweile haben Bleiakkus durch immer weitergehenden Fortschritt eine sehr hohe Lebensdauer. Jedoch altern die Bleiakkus natürlich trotzdem. Das liegt in erster Linie an der sogenannten Sulfatierung des Bleisulfats. Diese Sulfatierung bewirkt, dass sich die PbSO₄-Kristalle zu immer größeren Verbünden zusammenschließen, so verringert sich die Oberfläche des PbSO₄. Durch diese kleinere Oberfläche löst sich das PbSO₄ immer schlechter, so dauert es sehr lange bis eine hinreichend hohe Konzentration an Pb²⁺ vorliegt. Siehe auch: Akkumulator, Galvanische Zelle

Chemische Prozesse

Galvanische Zelle Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab: Positiver Pol:

PbO_2 + SO_4^ + 4 H_3O^+ + 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 + 6 H_2O

Negativer Pol:

Pb + SO_4^ \longrightarrow PbSO_4 + 2 e^-

Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab. Die Gesamtreaktion:

2 PbSO_4 + 2 H_2O + elektrische Energie \longrightarrow Pb + PbO_2 + 2 H_2SO_4

Nach rechts findet die Aufladung des Bleiakkus statt, nach links die Entladung. Aus der Elektrochemische Spannungsreihe kann man nun die Potentialdifferenz, also letztlich die elektrische

Batterie

Anwendungsgrundlagen

Typen-Variationen

Einsatzbereiche

Primärzellen

Sekundärzellen

Baugrößen

Literatur

Weblinks

Galvanische Zelle

Beispiele

Weblinks

Elektrochemische Spannungsreihe

Interpretation und Bedeutung

Metalle

Allgemeines

Redox-Paare und Ion-/Ion-Elektroden

Ion-/Gas-Elektroden (Normal-Wasserstoffelektrode)

Anwendungen

Tabelle

Literatur

Reihenschaltung

Siehe auch

Elektrische Kapazität

Elektrische Ladung

Geschichte

Berechnung von Ladungsverteilungen

Weblinks

Amperestunde

Parallelschaltung

Siehe auch

Zyklus

Zyklen in der

Astronomie

Kunst

Beispiele

Biologie

Wirtschaft

Technik

Mathematik

Sonstiges

Siehe auch

Norm

Quecksilber

Vorkommen

Verwendung

Thermometer

Barometer

Amalgam

Elektrolyse

Goldwäsche

Sonstige Anwendungen

Wichtige Quecksilberverbindungen

Trivia

Literatur

Siehe auch

Weblinks

Batterierecycling

Weblinks

Adapter

Siehe auch

Redoxsystem

Ablauf

Trockenbatterie

Taschenlampe

Aufbau

Funktionsweise

Einsatzmöglichkeiten

Spezielle Taschenlampen

Starterbatterie

Traktionsbatterie

Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Schadenspotenziale

Ausstattung

VFD (Voltage and Frequency Dependent from main supply) Offline-USV

VI (Voltage Independent from main supply) Line-Interactive-USV

VFI (Voltage and Frequency Independent) Online-USV

Siehe auch

Galvanische Zelle

Beispiele