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Batteriezelle

Batteriezelle

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

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

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

Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die vom Menschen als Wärme beziehungsweise Kälte empfunden wird. Hohe Temperaturen bezeichnet man als heiß, niedrige als kalt. Tatsächlich jedoch beschreibt die Temperatur die mittlere kinetische Energie pro Teilchen, sie ist eine makroskopische und damit phänomenologische Größe und verliert bei Betrachtungen auf Teilchenebene ihren Sinn.

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: # Wärmeleitung # Konvektion # Wärmestrahlung Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. Dies hat für das Temperaturempfinden einige Konsequenzen:
- Temperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut fühlen sich warm an, solche unterhalb empfinden wir als kalt
- Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, führen zu höheren Wärmeströmen und fühlen sich deshalb wärmer beziehungsweise kälter an, als Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, wie Holz oder Polystyrol
- Bei gleich kalter Außentemperatur ist die gefühlte Temperatur bei Wind durch den Windchill niedriger als bei Windstille
- Der Mensch kann Lufttemperatur von überlagerter Wärmestrahlung nicht unterscheiden, was auch ganz allgemein gilt und unter anderem dazu führt das Lufttemperaturen immer im Schatten gemessen werden
- Gleiche Temperatur wird von den beiden Händen als unterschiedlich wahrgenommen, wenn diese selbst unterschiedliche Oberflächentemperatur aufweisen Genaugenommen gilt dies nicht nur für das menschliche Empfinden, auch in vielen technischen Anwendungen ist nicht die Temperatur von Bedeutung, sondern der Wärmestrom. So hat die Atmosphäre der Erde oberhalb 1000 km Temperaturen von mehr als 1000 °C, dennoch verglühen deshalb keine Satelliten. Auf Grund der geringen Teilchendichte ist der Energieübertrag minimal.

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Die formalen Eigenschaften der Temperatur werden in der Thermodynamik behandelt und dort über die Entropie S und die innere Energie U definiert. Man bezeichnet die Temperatur hier als eine systemeigene, intensive Zustandsgröße. Im eindimensionalen Fall in x-Richtung kann man die Temperatur über folgende Gleichung definieren: :

\frac = \frac

Bei einer sehr großen Ansammlung von Teilchen und dem Vorliegen eines idealen Gases, kann man die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anwenden und in der Folge die Temperatur wie folgt definieren: :

T := \frac

Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- M - Molmasse
- R - universelle Gaskonstante
-

\sqrt

- quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit (hier zum Quadrat) Die Temperatur ist damit ein Maß für den durchschnittlichen ungerichteten, also zufälligen, Bewegungsenergieanteil (kinetische Energie) einer Ansammlung von Teilchen. Die Teilchen sind hierbei die Luftmoleküle bzw. die Moleküle oder Atome eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. In der statistischen Mechanik steht die Temperatur mit der Energie pro Freiheitsgrad in Zusammenhang. Im idealen Gas aus einatomigen Molekülen sind das drei Translationsfreiheitsgrade pro Molekül und bei mehratomigen Gasen können weitere Rotationsfreiheitsgrade hinzu kommen. Bei Gasen kann man diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchengeschwindigkeit nach obiger Beziehung sogar quantitativ angeben. Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2^½ = 1,414. Zwei unterschiedliche Gase haben dann die gleiche Temperatur, wenn das Produkt aus der Molmasse des jeweiligen Gases und dem Quadrat der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit gleich groß ist. Im thermischen Gleichgewicht nimmt jeder Freiheitsgrad der Materie (Bewegung, potenzielle Energie, Schwingungen, elektronische Anregungen etc.) eine der Temperatur entsprechende Menge an Energie auf. Wieviel genau muss aus der kanonischen Verteilung (Boltzmannkonstante) berechnet werden und ist durch das Verhältnis von Energie zu Temperatur mal Boltzmannkonstante k_B bestimmt. Bei der kontinuierlichen (klassischen) kinetischen Energie ist dies genau k_BT/2. Die Boltzmannkonstante ergibt einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, welcher 11.606,7 Kelvin pro Elektronenvolt beträgt. Bei Raumtemperatur (300 Kelvin) ergibt dies 0,0258472 eV. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist abhängig von der Molekülmasse bzw. Molmasse. Dabei sind die schweren Teilchen jedoch auch langsamer. Bei idealen Gasen gleichen sich Massenerhöhung und Geschwindigkeitsernierdrigung gegenseitig aus, was zum Gesetz von Avogadro führt. Die thermische Energie ist jedoch wie die Temperatur selbst nur ein Mittelwert innerhalb eines Vielteilchensystems und ihr Zusammenhang mit der Teilchengeschwindigkeit lässt sich ebenfalls aus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung ableiten: :

\overline = \frac m \overline

Das thermische Gleichgewicht hat eine wichtige Eigenschaft, welche in der Thermodynamik zur Formulierung des Nullten Hauptsatzes führt. Wenn ein System A sich mit einem System B sowie B sich mit einem System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so befindet sich auch A mit C im thermischen Gleichgewicht. Das thermische Gleichgewicht ist damit transitiv, was es möglich macht die empirische Temperatur θ einzuführen. Diese ist so definiert, dass zwei Systeme genau dann die gleiche empirische Temperatur haben, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Messung der Temperatur

Messung durch Kontakt

Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe von Thermometern oder anderen wärmesensitiven Messgeräten. Bei Messungen mit massebehafteten Sensoren ist der Wärmeleitung besonders Rechnung zu tragen: Man muss genügend lange warten, bis diese Temperatur-Angleichung im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit eingetreten ist. Andererseits können dabei andere Einflüsse wirksam werden (z.B. Wärmestrahlung, eigener Atem). Die Messgenauigkeit wird bei den feinsten Methoden durch die Brownsche Molekularbewegung begrenzt, bei der Lufttemperatur aber meist durch lokale Turbulenzen. Die Temperaturerfassung durch Kontakt ist in vier Teilbereiche aufzuteilen: #die mechanische Erfassung mittels #
- Gas- oder Flüssigkeitsthermometer (z.B. traditionelle Quecksilber- oder Alkoholthermometer) #
- Bimetallthermometer #
- Temperaturmessfarben (auch thermochromatische Farben; Farbumschlag bei einer bestimmten Temperatur) #
- Seeger-Kegel (Formkörper, die ihre Festigkeit und dadurch ihre Kontur bei einer bestimmten Temperatur ändern) #die resistiven Temperaturaufnehmer (Widerstandsthermometer) #die Thermoelemente #die indirekte, erfahrungsgestützte Messung über tabellierte Stoffdaten (zum Beispiel umgekehrte Schmelzpunktbestimmung) Schmelzpunktbestimmung

Messung durch elektromagnetische Strahlung

Die Temperatur kann indirekt durch die Wärmestrahlung mit einem Pyrometer gemessen werden. Durch diese ist auch eine Thermografie möglich, also eine Farbanzeige oder Hell-Dunkel Darstellung der Temperatur von Flächen und Räumen wie im Bild zur Linken, welches einem Kaffeeautomaten zeigt. Gut erkennbar ist hierbei auch die thermische Spiegelung. Eine andere Art der Temperaturmessung durch elektromagnetische Strahlung auch anderer Wellenlängenbereiche bieten die Bolometer. Siehe hierzu auch Messgeräte, Messtechnik, Messung und Kategorie Temperaturmessung
Temperaturskalen und ihre Einheiten

SI-Einheit
Die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur (Formelzeichen: T) ist Kelvin (Einheitenzeichen: K). Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser, bei dem dessen feste, flüssige und gasförmige Phase koexistieren. Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt. Es ist üblich und nützlich Temperaturdifferenzen immer in Kelvin anzugeben.
Nicht-SI-Einheiten
Die empirische Temperatur (Formelzeichen:

\vartheta

; gelegentlich auch t), auch als Celsiustemperatur bezeichnet, da in Grad Celsius (Einheitenzeichen: °C) angegeben, ergibt sich damit aus der thermodynamischen Temperatur durch : $\vartheta/^\circ\mathrm = T/\mathrm-273,\!15$ . Temperaturdifferenzen können vom Prinzip her auch in Grad Celsius angegeben werden, das den gleichen Skalenabstand aufweist wie die Kelvin-Skala, dessen Nullpunkt sich aber auf den Gefrierpunkt von Wasser beim Normaldruck (mittlerer Luftdruck auf Meereshöhe) bezieht. Der so festgelegte Gefrierpunkt liegt gerade 0,01 K unterhalb der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. In den USA ist die Fahrenheit-Skala mit der Einheit Grad Fahrenheit (Einheitenzeichen: °F) immer noch sehr gebräuchlich. Die absolute Temperatur auf Fahrenheit-Basis wird mit Grad Rankine (Einheitenzeichen: °Ra) bezeichnet. Die Rankine-Skala hat den Nullpunkt wie die Kelvin-Skala beim absoluten Temperaturnullpunkt, im Gegensatz zu dieser jedoch die Skalenabstände der Fahrenheit-Skala.
Temperaturskalen
Eine Temperaturskala ist eine Methode der Angabe einer Temperatur in einer Skala und damit der Bestimmung der jeweiligen Messtemperatur in Bezug zu einem Vergleichswert. Zu ihrer Erstellung werden immer mindestens zwei Fixpunkte benötigt. Diese legt man bei bestimmten temperaturabhängigen Eigenschaftsänderungen von Stoffen oder auch anderen Messergebnissen fest. Die häufigsten Fixpunkte sind hierbei der absolute Temperaturnullpunkt, sowie der Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser. Ausgehend von diesen Fixpunkten wählt man einen Gradabstand für die Größe des Intervalls zwischen zwei Graden und kann auf diese Weise eine Maßeinheit für die Temperatur definieren. Es ist dabei jedoch wichtig, dass der Temperaturbereich zwischen den gewählten Fixpunkten einen konstanten Anstieg aufweist, da man ansonsten unterschiedlich große Gradabstände erhält, je nachdem ob die betrachtete Temperatur näher oder ferner von einem der Fixpunkte liegt. Die bekanntesten Temperaturskalen mit ihren verschiedenen Charakteristika sind in den folgenden Tabellen dargestellt. Die heute gültige Temperaturskala ist die "International Temperature Scale of 1990" (ITS-90). :¹ Einige Werte dieser Tabelle sind gerundet :² Übliche Körpertemperatur ist 36.8 °C ± 0.7 °C, oder 98.2 °F ± 1.3 °F Ein Programm zur automatischen Temperaturumrechnung ist in den Weblinks zu finden.
Ausgewählte Temperaturen
Spezifische Stoffwerte können den entsprechenden Artikel wie beispielsweise Siedepunkt und Schmelzpunkt entnommen werden. Ein Vergleich der Größenordnung von Temperaturen der Kelvin-Skala ist gesondert dargetellt.
Siehe auch

- Kategorie Schwellenwerte der Temperatur
- Absolute Temperatur
- Kritische Temperatur
- Curie-Temperatur
- Debye-Temperatur
- Boyle-Temperatur
- Dopplertemperatur
- Oberflächentemperatur
- Rekristallisationstemperatur
- Potenzielle Temperatur
- Virtuelle Temperatur
- Temperaturresistenz
- Tagesmitteltemperatur
- Wärmekapazität
Weblinks

- [http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/general/units.html#temp Temperatur-Umrechnung]
- [http://www.temp-web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=26 Informationen rund um die Temperatur]
- [http://www.its-90.com/ Website der ITS-90 (engl.)]
- [http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_temperatur_grad Umrechnungen zw. den Temperaturskalen Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine, Réaumur (Online)] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Temperaturmessung ja:温度 ko:온도 th:อุณหภูมิ

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

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

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

Knopfzelle

Als Knopfzellen bezeichnet man sehr kleine Batterien. Sie erhielten ihre Bezeichnung, da sie in Größe und Form Kleider-Knöpfen ähneln. Es gibt sie in den verschiedensten Größen. Knopfzellen werden in Geräten eingesetzt, die nur einen sehr geringen Strombedarf haben und sehr klein sind, wie Taschenrechner, Armbanduhren und Hörgeräte. Die kleinen Abmessungen stellen allerdings eine hohe Gefahr für Kleinkinder dar, da diese die giftigen Knopfzellen leicht verschlucken können. Knopfzellen werden auch in Form von Akkumulatoren hergestellt.
Beispiel: CR 2032 ist eine Lithium-Knopfzelle mit 2 cm Durchmessern und einer Höhe von 3,2 mm. Sie findet sich häufig in der Computertechnik auf Mainboards, um die Spannungsversorgung des CMOS sicherzustellen, wenn der Rechner vom Netz getrennt oder abgeschaltet ist. CR2032, CR2016, CR2015 sind die am verbreitesten Knopfzellen. Diese finden meisst ihren Einsatz in kleineren elektronischen Geräten, aber nur selten in Uhren. Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

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

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

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

Zink-Kohle-Batterie

Die Zink-Braunstein-Zelle, auch Leclanché-Element (nach Georges Leclanché), Zink-Kohle-Element (wegen der Verwendung einer festen Kohle-Elektrode) oder Zink-Kohle-Trockenbatterie (wegen der gasdichten Kapselung der Zelle und der Eindickung des Elektrolyten), ist ein galvanisches Element und erzeugt elektrische aus chemischer Energie. Sie zählt zu den Primärelementen, da sie, anders als Akkumulatoren, nicht wiederaufladbar ist. Zink-Braunstein-Zellen sind preiswert in der Herstellung und weit verbreitet, werden aber zunehmend von Alkali-Mangan-Batterien verdrängt.

Aufbau

Alkali-Mangan-Batterie Das Zink-Kohle-Element besteht aus einer Zinkelektrode (Anode (-)) und Braunsteinpulver (Kathode (+)) mit einer Kohleelektrode als elektrischer Zuleitung. Als Elektrolyt wird dabei eine 20%ige Ammoniumchloridlösung eingesetzt. Der Verbraucher wird zwischen die beiden Elektroden geschaltet. Im Bild erkennt man außen die Metall-Ummantelung. Sie erhöht die mechanische Stabilität der Zelle. Die Kunststoff-Folie unter dem Metall-Mantel soll ein Auslaufen der Zelle verhindern. Der Zink-Becher, der das Elektrolyt und den Braunstein umschließt, ist nahezu aufgebraucht und auf der Abbildung nicht zu erkennen. Der Kohlestift in der Mitte wurde, zusammen mit dem Plus-Außenkontakt der Batterie, etwas herausgezogen.

Reaktion

An der Anode wird elementares Zink (Zn) zu Zink(II)-Ionen oxidiert. Dabei erhöht sich die Oxidationszahl von Zink von 0 auf +II. An der Kathode findet die Reduktion statt: Mangan(IV)-Oxid (Braunstein) reagiert unter Aufnahme von Oxonium-Ionen und Elektronen zu Manganoxidhydroxid und Wasser. Die Oxidationszahl von Mangan verringert sich dabei von +IV auf +III. Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:マンガン乾電池

Lithium-Batterie

Lithium-Batterie ist der Oberbegriff für nicht wiederaufladbare Batterien (Primärbatterien), bei denen Lithium als aktives Material in der Anode (negativen Elektrode) verwendet wird. Aufgrund des Standardpotenzials von etwa -3,05 V (dem negativsten aller Elemente) und der daraus resultierenden hohen Zellspannung sowie der hohen theoretischen Kapazität von 3,86 Ah/g ist Lithium die "ideale" Anode. Nachteil ist die hohe Reaktivität von elementarem Lithium (beispielsweise mit Wasser oder bereits mit feuchter Luft). Deshalb werden in Lithium-Batterien ausschließlich nichtwässerige, aprotische Elektrolyte verwendet oder Festelektrolyte verwendet. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden dem Elektrolyten Leitsalze (beispielsweise Lithiumperchlorat LiClO₄) zugesetzt. Die Entwicklung von Lithium-Batterien begann in den 1960er Jahren.

Vorteile von Lithium-Batterien

Vorteile von Lithium-Batterien gegenüber herkömmlichen Systemen mit wässerigen Elektrolyten (beispielsweise Alkali-Mangan-Batterie oder Zink-Kohle-Batterie) sind die höhere Energiedichte (Wh/dm³) beziehungsweise die höhere spezifische Energie (Wh/kg), die hohe Zellspannung, die sehr lange Lagerfähigkeit aufgrund der geringen Selbstentladung, sowie der weite Temperaturbereich für Lagerung und Betrieb.

Typen und Anwendungsbereiche

Energiedichte Lithium-Batterien gibt es in vielen verschiedenen Typen, die sich in Kathode, Elektrolyt und Separator unterscheiden. Diese sind in verschiedenen Bauformen und Größen erhältlich und decken ein breites Anwendungsspektrum ab.
- Lithium-Thionylchlorid-Batterie

Li-SOCl_2

: Leerlaufspannung 3,7 Volt. Typische Lastspannung 3,4 Volt. Anwendungen sind die netzunabhängige Versorgung von Elektronik im militärischen und industriellen Bereich, in der Sicherheitstechnik und für Verbrauchszähler.
- Lithium-Mangandioxid-Batterie

Li-MnO_2

: Leerlaufspannung 3,5 bis 3,0 Volt. Typische Lastspannung 2,9 Volt. Dieser Typ ist weit verbreitet und wird hauptsächlich für Kameras, Uhren und als Backup-Batterie für Speicherchips eingesetzt.
- Lithium-Schwefeldioxid-Batterie

Li-SO_2

: Leerlaufspannung 3,0 Volt. Typische Lastspannung 2,7 Volt. Anwendung meist im militärischen Bereich.
- Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie

Li-(CF_n)

: Leerlaufspannung 3,2-3,0 Volt. Typische Lastspannung 3,1-2,5 Volt. Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterien haben etwas höhere Strombelastbarkeit und Kapazität als Lithium-Mangandioxid-Batterien, sind aber teurer. Sie werden daher für Anwendungen verwendet, bei denen Leistung wichtiger als Kosten sind, beispielsweise im medizinischen Bereich.
- Lithium-Iod-Batterie

Li-I_2

: Leerlaufspannung 2,8 V. Typische Lastspannung 2,8 V. Anwendung zur Stromversorgung von Herzschrittmachern.
- Lithium-Eisensulfid-Batterie

Li-FeS_2

: Leerlaufspannung 1,8 Volt. Typische Lastspannung 1,5 Volt. Anwendung im Fotobereich.

Siehe auch

- Batterie
- Akkumulator
- Lithium-Ionen-Akku
- Lithium-Polymer-Akku

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, ISSN 0944-5846
- Günter Eichinger, Günter Semrau: Lithiumbatterien I – Chemische Grundlagen. Chemie in unserer Zeit 24(1), S. 32-36 (1990), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISSN 0009-2851
- Günter Eichinger, Günter Semrau: Lithiumbatterien II – Entladereaktionen und komplette Zellen. Chemie in unserer Zeit 24(2), S. 90-96 (1990), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISSN 0009-2851

Weblinks

- [http://www.ife.ee.ethz.ch/~zinniker/batak/lithium/index.html Lithium-Batterien]
- http://www.grs-batterien.de Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher ja:リチウム電池

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

Zink-Luft-Batterie

Eine Zink-Luft-Batterie ist eine Knopfzelle, deren Spannung von etwa 1,5V auf Grund einer Zink/Sauerstoff-Reaktion entsteht. Wie bei der Silberoxid- und der Quecksilberoxid-Zink-Batterie bildet unedles Zinkpulver die Anode. Bei der Zink-Luft-Batterie ist die Kathode der Luftsauerstoff, der im Verlauf der Entladung das Zink zu Zinkhydroxid oxidiert. Bei der Entladung einer Zink-Luft-Batterie laufen folgende Reaktionen ab: Reduktion:

\mathrm

Oxidation:

\mathrm

Gesamt:

\mathrm

Bei neuen Batterien ist die Eintrittsöffnung für den Luftsauerstoff meist mit einer Lasche versiegelt, sodass die Redox-Reaktionen erst bei Entfernung dieses Siegels einsetzen. Daher zeichnen sich Zink-Luft-Batterien durch eine lange Lagerfähigkeit aus, müssen nach Entfernung des Siegels jedoch in der Regel innerhalb weniger Wochen aufgebraucht werden. 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

Nickel-Cadmium-Akku

Der Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd) ist eine wiederaufladbare Batterie (so genannte Sekundärzelle). Von der grundsätzlichen Bauart ist zwischen offenen und gasdichten Zellen zu unterscheiden. Gasdichte Zellen sind häufig baugleich zu handelsüblichen Batterien und können daher als Ersatz für diese sogenannten Primärzellen verwendet werden. Offene Zellen werden für stationäre Anwendungen verwendet.

Geschichte

Der Nickel-Cadmium-Akkumulator wurde 1899 von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt. Der NiCd-Akkumulator gehört zu den alkalischen Batteriesystemen, an denen auch Thomas Alva Edison zu der Zeit parallel gearbeitet hat. Ein wesentlicher Unterschied zu dem bis dahin bekannten Bleiakkumulator ist, dass das Elektrolyt während der Ladung und Entladung unverändert bleibt. 1910 begann die industrielle Fertigung des NiCd-Akkumulators in Schweden. Diese ersten NiCd-Akkumulatoren hatten sogenannte Taschenelektroden, die auch heute noch üblich sind. Ungefähr 1930 wurden in Deutschland sogenannte Sinterelektroden entwickelt. Das Prinzip der gasdichten Zellen wurde 1933 von Dassler veröffentlicht. Serienreife gasdichte Zellen waren in den 50er Jahren verfügbar. Bis in die 90er Jahre hat sich der NiCd-Akkumulator zu der meistgebräuchlichen wiederaufladbaren Batterie im Endverbraucherbereich entwickelt. Zukünftig werden Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) und Lithium-Systeme mehr Bedeutung bekommen, da sie höhere Energiedichten aufweisen und keine umweltschädlichen Schwermetalle wie Cadmium enthalten.

EU-Verbot soll kommen

Im Dezember 2004 hat der EU-Ministerrat eine Richtlinie verabschiedet, deren Ziel es ist, die technische Nutzung von Cadmium zu reduzieren. Vorbehaltlich der Zustimmung des EU-Parlaments sollen die Mitgliedsstaaten innerhalb von zwei Jahren durch nationale Gesetze zunächst Nickel-Cadmium-Akkus verbieten. Auf Wunsch einiger Mitgliedsstaaten - darunter auch Deutschland - sollen jedoch, unter anderem schnurlose Elektrowerkzeuge, so genannte Power Tools, von dem Verbot zunächst ausgenommen werden, weil „für Power Tools nicht sicher gestellt ist, dass gleichwertiger Ersatz aktuell verfügbar ist“. Vier Jahre nach Inkrafttreten der Richtlinie soll diese Ausnahme jedoch überprüft werden, um das Cadmium-Verbot dann möglicherweise auszudehnen. Siehe auch Diskussionsseite. Siehe auch RoHS.

Eigenschaften

NiCd-Akkumulatoren haben eine nominale Spannung von 1,2 Volt, die somit 20% unter den 1,5 Volt normaler Batterien liegt. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die meisten Geräte auf niedrige Spannungen von 0,9-1,0 Volt entladener Batterien ausgelegt sind. Durch den geringen Innenwiderstand von NiCd-Akkumulatoren können diese hohe Ströme liefern. NiCd-Akkus werden (auch deshalb) vor allem im Modellbau und schnurlosen Telefonen genutzt. Eine bei anderen Technologien selten anzutreffende Eigenschaft ist das hervorragende Tieftemperaturverhalten von NiCd-Akkumulatoren. Selbst bei minus 40°C besitzt ein Akku mit Faserstrukturplatten-Technik noch über 50% seiner nominellen Kapazität bei Raumtemperatur.

Aufbau

Die Elektroden des NiCd-Akkumulators bestehen in geladenem Zustand aus Platten, die am Minuspol mit fein verteiltem Cadmium und am Pluspol mit Nickel(III)-oxidhydroxid beladen sind. Als Elektrolyt wird 20%-ige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Diese Kombination liefert eine Spannung von 1,3 V. Bei Überladung des Akkumulators wird an der negativen Elektrode Wasserstoff und an der positiven Elektrode Sauerstoff produziert; man sagt der Akku „gast“. In geschlossenen, also gasdichten Zellen muss dies wegen der Explosionsgefahr unbedingt verhindert werden, aus diesem Grund wird die negative Cadmiumelektrode überdimensioniert und dient als negative Entladereserve. Die positive Nickelelektrode enthält etwas Cadmiumhydroxid als „antipolare Masse“. Bei Überladung stellt sich so ein Gleichgewicht zwischen Sauerstofffreisetzung und -verbrauch ein, es wird kein Wasserstoff entwickelt. In gasdichten Faserstruktur-Ni/Cd-Zellen wird der entstehende Sauerstoff an einer katalytisch wirksamen Oberfläche der Faserstruktur-Rekombinationselektrode so schnell rekombinidert, dass im Betrieb sogar ein leichter Unterdruck entsteht.

Elektrochemie

NiCd-Akkumulatoren enthalten im geladenen Zustand:
- eine positive Elektrode: NiOOH
- eine negative Elektrode: Cd
- einen Separator
- ein Elektrolyt, meist 20%ige KOH Entladevorgang: An der Anode/negativen Elektrode wird Cadmium zum Cadmiumhydroxid (Cd(OH)₂) oxidiert. Die freiwerdenden Elektronen fließen dann über den Verbraucher zur Kathode/positiven Elektrode. Dort wird das Nickel(III)-oxidhydroxid NiOOH zu Nickel(II)hydroxid Ni(OH)₂ reduziert. Reaktionen: Negative Elektrode: Cd(0) + 2 OH- → Cd(II)(OH)₂ + 2 e- Positive Elektrode: 2 Ni(III)OOH + 2 H2O + 2 e- → 2 Ni(II)(OH)₂ + 2 OH- Gesamtreaktion: 2 NiO(OH) + Cd + 2 H₂O ↔ 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)

Batteriezelle

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

Amperestunde

Temperatur

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Messung der Temperatur

Messung durch Kontakt

Messung durch elektromagnetische Strahlung

Temperaturskalen und ihre Einheiten

SI-Einheit

Nicht-SI-Einheiten

Temperaturskalen

Ausgewählte Temperaturen

Siehe auch

Weblinks

Parallelschaltung

Siehe auch

Zyklus

Zyklen in der

Astronomie

Kunst

Beispiele

Biologie

Wirtschaft

Technik

Mathematik

Sonstiges

Siehe auch

Norm

Batterierecycling

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Redoxsystem

Ablauf

Trockenbatterie

Taschenlampe

Aufbau

Funktionsweise

Einsatzmöglichkeiten

Spezielle Taschenlampen

Knopfzelle

Starterbatterie

Alkali-Mangan-Batterie

Elektrochemie

Anodenreaktionen

Kathodenreaktionen

Gesamtreaktion

Nebenreaktionen

Aufbau

Eigenschaften

Spannung

Entladung

Vergleich Alkali-Mangan- und Zink-Braunstein-Zelle

Wiederaufladen

Literatur

Weblinks

Zink-Kohle-Batterie

Aufbau