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Geschichte Der Fotovoltaik

Geschichte der Fotovoltaik

Die Fotovoltaik dient der direkten Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie. Der zugrundeliegende fotoelektrische Effekt wurde schon 1839 entdeckt, jedoch dauerte es noch über einhundert Jahre, bis es zu einer Nutzung in der Energieversorgung kam.

Die Entdeckung

1839 stieß Alexandre Edmond Becquerel (1820–1891) bei Experimenten auf den fotoelektrischen Effekt. Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, bei denen er eine Platin-Anode und -Kathode verwendete, maß er den zwischen diesen Elektroden fließenden Strom. Dabei stellte er fest, dass der Strom bei Licht geringfügig größer war als im Dunkeln. Damit entdeckte er die Grundlage der Fotovoltaik, zu einer praktischen Anwendung kam es jedoch erst Generationen später.

Grundlegende Forschung

1873 entdeckten der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass Selen bei Belichtung seinen elektrischen Widerstand veränderte. Willoughby Smith ging mit dieser Entdeckung an die Öffentlichkeit und löste damit weitere Forschungen zu diesem Thema aus. 1876 entdeckte dann William Grylls Adams zusammen mit seinem Schüler Richard Evans Day, dass Selen Elektrizität produziert, wenn man es Licht aussetzt. Obwohl Selen nicht geeignet ist, genügend elektrische Energie zur Versorgung damals verwendeter elektrischer Bauteile zu Verfügung zu stellen, war hiermit der Beweis erbracht, dass ein Feststoff Licht direkt in elektrische Energie wandeln kann, ohne den Umweg über Wärme oder kinetische Energie. 1883 baute der New Yorker Charles Fritts ein erstes Modul (den Vorläufer des Fotovoltaikmoduls) aus Selenzellen. Erst jetzt kam es zu grundlegenden Arbeiten über den fotoelektrischen Effekt, bei vielen Wissenschaftlern der damaligen Zeit aber auch zu großen Zweifeln an der Seriosität dieser Entdeckung. 1884 legte Julius Elster (1854–1920) zusammen mit Hans Friedrich Geitel (1855–1923) bedeutende Arbeiten über den lichtelektrischen Effekt (Fotoeffekt) vor. Heinrich Rudolph Hertz (1857–1894) entdeckte ebenfalls 1887 den lichtelektrischen Effekt, dessen genaue Untersuchung er seinem Schüler Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs (1859–1922) übergab. Im gleichen Jahr und unabhängig von Hallwachs kam auch Augusto Righi (1850–1920) zur Entdeckung der Elektronenemission beim Fotoeffekt. Zu Ehren der Erkenntnisse von Hallwachs wurde der lichtelektrische Effekt (auch äußerer Fotoeffekt genannt) früher auch als Hallwachs-Effekt bezeichnet. Auch Philipp Eduard Anton Lenard (1862–1947) und Joseph John Thomson trugen am Ende des 19. Jahrhunderts weiter zur Erforschung des lichtelektrischen Effekts bei. 1907 lieferte Albert Einstein eine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts, die auf seiner Lichtquantenhypothese von 1905 beruhte. Robert Andrews Millikan (1868–1953) konnte 1912–1916 die Einstein'schen Überlegungen zum Fotoeffekt experimentell bestätigen und wurde unter anderem dafür 1923 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Ein weiterer wichtiger Schritt für die Grundlagen der Halbleitertechnik und der Fotovoltaik war das 1916 von Jan Czochralski (1885–1953) entdeckte und nach ihm benannte Kristallziehverfahren. Es wurde erst in den 1940er Jahren weiterentwickelt und kam in den 1950er Jahren mit dem steigenden Bedarf nach Halbleiterbauteilen in größerem Maßstab zur praktischen Anwendung.

Fotovoltaische Zellen

1940 stellte Russel S. Ohl (1898–1967) bei Versuchen unerwartet fest, dass bei Beleuchtung einer von ihm untersuchten Siliziumprobe das angeschlossene Messgerät eine Änderung anzeigte. Er bemerkte, dass durch die Beleuchtung des Siliziums ein Strom erzeugt werden konnte. Durch weitere Untersuchungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden. Ohl war bei den Bell Laboratories auch an der Entdeckung beteiligt, bei Halbleitern durch gezielte Dotierung mit Fremdstoffen die elektrischen Eigenschaften zu ändern und so einen p-n-Übergang zu schaffen. 1948 kam es zu einem ersten Konzept der Halbleiter-Fotovoltaik mit Schottky-Dioden durch Walter Schottky (1886–1976), und 1950 erstellte William Bradford Shockley (1910–1989) ein theoretisches Modell für den p-n-Übergang und schuf damit auch die Voraussetzung für das Verständnis der heutigen Solarzellen. Die Bell Laboratories in New Jersey waren in diesen Jahren eines der weltweit aktivsten und erfolgreichsten Forschungslaboratorien. 1953 wurden dort von Daryl Chapin (1906–1995), Calvin Fuller (1902–1994) und Gerald Pearson (1905–1987) kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils ca. 2 cm² groß, mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent produziert. Eine Zelle erreichte sogar 6 Prozent Wirkungsgrad – am 25. April 1954 wurden die Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentiert. Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite. Die Solarzellen hatten einen definierten p-n-Übergang und gute Kontaktierungsmöglichkeiten, wodurch erstmals wichtige Voraussetzungen für die industrielle Produktion gegeben waren. 2002 wurde eine 1955 von den Bell Laboratories hergestellte, eingekapselte und damals mit 6 Prozent Wirkungsgrad vermessene Zelle erneut vermessen und wies noch 5,1 Prozent Wirkungsgrad auf. Nach weiteren Verbesserungen konnte der Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 11 Prozent gesteigert werden.

Erste Anwendungen im Weltall

Am 17. März 1958, nach dem Sputnik-Schock für die USA und nachdem die USA bereits erfolgreich einen Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht hatten, flog der zweite Satellit der USA namens Vanguard I mit einer chemischen Batterie und Fotovoltaikzellen zum Betrieb eines Senders an Bord ins All. Er wog nur ca. 1,6 Kilogramm und hatte einen Durchmesser von weniger als 16 Zentimetern. Nach langem Zögern seitens der US-Armee hatte sich Hans Ziegler (1911/12–1999) mit seiner Idee durchsetzen können, dass eine Energieversorgung mit Solarzellen den Betrieb des Senders länger als die Batterie würde aufrechterhalten können. Entgegen den Erwartungen der Militärs konnten die Signale des Senders für mehr als sieben Jahre empfangen werden, bevor er seine Signaltätigkeit einstellte. Aufgrund der langen Messdauer konnte anhand der Flugbahn von Vanguard I das Massenverteilungsmodell der Erde auf eine bis dahin nicht zu erreichende Genauigkeit korrigiert werden, und es wurde klar, dass die Erde nicht exakt rund ist. Vanguard I umkreist auch heute noch die Erde und ist damit der älteste menschengeschaffene Satellit im Orbit. Der Erfolg dieses kleinen Satelliten und die daran beteiligten Wissenschaftler legten den Grundstein für die erste sinnvolle Verwendung der bis dahin noch nahezu unbekannten und vor allem sehr teueren Solarzellen. Für viele Jahre wurden in der Folge Solarzellen vorwiegend für Raumfahrtzwecke weiter entwickelt, da sie sich als ideale Stromversorgung für Satelliten in der Erdumlaufbahn bewiesen.

Nutzung auf der Erde

Nur in Ausnahmefällen, zum Beispiel, wenn das nächste Energieverbundnetz sehr weit entfernt war, kam es zu einer Installation von terrestrischen Fotovoltaik-Inselanlagen. Mit der Ölkrise 1973 wurde das Interesse an anderen Energien deutlich stärker, doch noch waren große, zentrale Atomkraftwerke die Lösung für eine flächendeckende Energieversorgung. Seit Mitte der 1970er Jahre wurden dann erstmals mehr Solarzellen für terrestrische Zwecke als für den Einsatz in der Raumfahrt hergestellt. 1976 entschied sich die australische Regierung, das gesamte Telekommunikationsnetz im Outback mit fotovoltaisch gestützten Batteriestationen zu betreiben. Einrichtung und Betrieb waren erfolgreich und ließen das Vertrauen in die Solartechnologie deutlich ansteigen. 1977 wurde in den USA an den Sandia Laboratories (Albuquerque, New Mexico) ein Solarmodul mit dem Ziel entwickelt, eine potenziell kostengünstige Technologie für fotovoltaische Energiewandlung auf der Erde vorzuführen, die nicht mehr nur auf Sonderanfertigungen basierte. Der katastrophale Störfall im Atomkraftwerk auf Three Mile Island bei Harrisburg in den USA Ende März 1979 und die Ölkrise im Spätherbst des selben Jahres gaben den regenerativen Energien weiteren Aufwind. Etwa ab 1980 waren Solarmodule mit wiederaufladbaren Batterien eine Standardanwendung zum Betrieb von Signalanlagen auf kleinen unbemannten Ölbohrinseln im Golf von Mexiko. Sie ersetzten als kostengünstigere und wartungsärmere Variante die vorher verwendeten großen Batterien, die im Abstand weniger Monate personalaufwändig und kostenintensiv getauscht werden mussten. Später in den 1980ern wurden von der US Coast Guard (Küstenwache), auf Initiative ihres Angestellten Lloyd Lomer, alle Signalanlagen und Navigationslichter auf fotovoltaische Energieversorgung umgestellt. Vorher hatten die Betriebskosten dieser Anlagen die Anschaffungskosten bei weitem überschritten. Durch die Fotovoltaik wurden die Betriebskosten drastisch reduziert und die Anschaffungskosten für die teureren Fotovoltaikanlagen amortisierten sich schnell. Nun kam es auch zu ersten größeren kommerziellen Aktivitäten in den USA, wodurch die USA 1983 einen Anteil am Weltmarkt der Fotovoltaik von ca. 21 Prozent erzielten. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es im Fotovoltaik-Markt vorwiegend Lösungen für Inselanlagen und Planungen für fotovoltaische Großanlagen. Der Schweizer Ingenieur Markus Real war der Überzeugung, dass es ökonomisch sinnvoller sei, jedes Haus mit einer eigenen PV-Anlage zu bestücken, also eine dezentrale Energiewandlung zu bevorzugen. Er trat mit 333 auf einzelnen Gebäuden installierten 3-kW-Dachanlagen in Zürich den Beweis an . Dies war der Anfang einer Bewegung, in deren Zuge auch das 1000-Dächer-Programm der Bundesrepublik Deutschland aufgelegt wurde. Ab 1991 wurden mit dem Stromeinspeisungsgesetz die Energieversorger dazu verpflichtet, den Strom der kleinen regenerativen Kraftwerke abzunehmen. Mitte der 1990er Jahre gab Greenpeace, nachdem trotz der Fördermaßnahmen entscheidende Teile der Fotovoltaikproduktion aus Deutschland abwanderten, mit einer neuen Studie über Deutschland als Fotovoltaik-Standort in diesem Sektor Denkanstöße. Neue Initiativen zur Gründung entsprechender Industriebetriebe gründeten sich, aus denen die Solon AG in Berlin und die Solarfabrik in Freiburg hervorgingen. Später wurde auch die Solarworld AG gegründet und weitere Firmen und Fabriken in diesem Marktsegment entstanden. Dem 1000-Dächer-Programm folgte das 100.000-Dächer-Programm und im Jahr 2000 auch der Nachfolger des Stromeinspeisungsgesetzes, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). In diesem ist festgelegt, dass die Energieversorger für eingespeiste regenerative Energie eine Mindestvergütung zahlen müssen. 2003 lief das 100.000 Dächer-Programm aus und wurde durch verbesserte Bedingungen des Energie-Einspeise-Gesetzes ersetzt. Weiterhin werden viele Kleinanlagen unter 5 kW_peak installiert, durch die gesetzlichen Rahmenbedingungen sind in den letzten Jahren jedoch auch vermehrt Großanlagen, bis über die 1 MW_peak-Grenze hinweg, gebaut worden.

Literatur

- John Perlin, From Space to Earth; The Story of Solar Electricity, First Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 2002, ISBN 0-674-01013-2
- Antonio Luque, Solar cells an optics for photovoltaic concentration, IOP Publishing Ltd, 1989, The Adam Hilger series on optics and optoelectronics, Bristol and Philadelphia, ISBN 0-85274-106-5

Patente

- Russel Ohl, Light Sensitive Device, US Patent No. 2402622, 1941, 27. Mai
- Russel Ohl, Light Sensitive Device Including Silicon, US Patent No. 2443542, 1941, 27. Mai

Fachartikel

- K. Lehovec, The Photo-Voltaic Effect, Phys. Rev., 1948, 74, S. 463–471
- W. Shockley, Electrons and Holes in Semiconductors, Van Nostrand, 1950, Princeton, NJ
- D. M. Chapin, C. S. Fuller, P. L. Pearson, A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electric Power, J. Appl. Phys., 1954, 25,S. 676–677
- E. L. Burgess, D. A. Pritchard, Performance of a one kilowatt concentrator photovoltaic array utilizing active cooling, Proceedings of the 13th Photovoltaic Specialists Conference, S. 1121–1124, 1978, IEEE, New York
- P. D. Maycock, The current PV scene worldwide, Proceedings of the 6th EC Photovoltaic solar Energy Conference, S. 771–780, 1985, Dordrecht, Reidel
Weblinks

- [http://www.zeit.de/archiv/1996/20/solar.txt.19960510.xml www.zeit.de] - "Geniestreiche (IX): Wie die Solarzelle zum Licht fand"
- [http://www.solartoday.org/2004/jan_feb04/good_as_gold.htm www.solartoday.org] - "Good as Gold: The Silicon Solar Cell Turns 50" (29. März 2004, englisch) Kategorie:Solarenergie

Fotovoltaik
]] Die Fotovoltaik (auch Photovoltaik) beschäftigt sich mit der Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie und ist seit 1958 zur Energieversorgung (zunächst von Satelliten) im Einsatz. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität - zusammen.
Technische Beschreibung
Elektrizität Die als Licht auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 10.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 1998, 402 E J) der Menschheit. Der Energieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 10¹⁸ kWh. Diese Strahlungsenergie kann fotovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne daß Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt. Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt oder gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Fotovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie verfügbar zu haben, muss die Energie gespeichert werden. Dies kann beispielsweise mittels Akkumulatoren oder Brennstoffzellen geschehen. Bekannte, batteriegepufferte Inselsysteme sind Parkuhrsysteme, die sich häufig in größeren Städten finden. Die fotovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Fotovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die fotovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Auch auf längere Sicht hin werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Allerdings haben das Stromeinspeisegesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Fotovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Leistung von Fotovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten 10 Jahren.
Leistung
Die Nennleistung in der Fotovoltaik wird in W_p (Watt_peak) beziehungsweise kW_p angegeben. "peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad. Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg entsteht auf dem Gelände des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee 2005/2006 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von mehr als 12 Megawatt.
Wirkungsgrad
Die mit Solarzellen in der Fotovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 10 und 16 Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein. Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Fotovoltaik aufgrund des zur Zeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv.
Potential
Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes um in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Fotovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung von bisher bebauten Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Das oft geforderte Ausweichen auf sonnenreichere Gegenden ist also nicht notwendig. Diese Zahl ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kW_p pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kW_p, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km².
Geschichte der Fotovoltaik
Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen. Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet. Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreicht die Gesamtleistung der in Deutschland installierten Fotovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt_peak.
Siehe auch

- Solarstrom, Grätzel-Zelle, Füllfaktor (Solarzelle),
- Solarbatterie, Solarfahrzeug, Solarflugzeug, Solarluftschiff,
- Solartechnik, Regenerative Energie, Zukunftstechnologie, SolarWorld AG
Literatur

- Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV Verlag, Köln 2005, ISBN 3-8249-0854-9
- Thomas Seltmann: Fotovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis Verlag, Berlin 2000 (aktualisiert 2004), ISBN 3-934595-02-2
- Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik. Teubner, Wiesbaden 1997, ISBN 3519132141
- H.-G. Wagemann, H. Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung. Teubner, Wiesbaden 1994, ISBN 3-519-03218-X
Weblinks

- [http://www.photovoltaikforum.com www.photovoltaikforum.com] - Benutzerforum zu allen Fragen rund um das Thema Photovoltaik
- [http://www.bine.info/templ_main.php/erneuerbare_energien/photovoltaik www.bine.info] - Portal zur Energieforschung: Thema Fotovoltaik
- [http://www.volker-quaschning.de www.volker-quaschning.de] informative Seite zur Fotovoltaik, zu regenerativen Energien
- [http://www.top50-solar.de www.top50-solar.de] - Portal mit den beliebtesten Webseiten zum Thema
- [http://www.solarserver.de www.solarserver.de] - Portal für Fotovoltaik in Deutschland
- [http://www.solaranlagen-portal.de www.solaranlagen-portal.de] - Solaranlagen-Portal
- [http://www.dgs.de www.dgs.de] - Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.
- [http://www.sfv.de www.sfv.de] - Solarenergie Förderverein Deutschland e.V.
- [http://www.solarwirtschaft.de www.solarwirtschaft.de] - Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft
- [http://www.ise.fhg.de www.ise.fhg.de] - Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
- [http://www.pv-ertraege.de www.pv-ertraege.de] - Bundesweite Aufnahme der monatlichen Stromertragsdaten von Fotovoltaikanlagen
- [http://www.iwr.de/solar/eeg-rechner/index.php www.iwr.de] - EEG-Vergütungsrechner Photovoltaik
- [http://www.iwr.de www.iwr.de] - Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR)
- [http://www.nrel.gov/ncpv/ www.nrel.gov] - USA - National Center for Photovoltaics (englisch)
- [http://www.solarbuzz.com www.solarbuzz.com] - weltweite News und Preise (englisch)
- [http://groups.google.com/groups?q=alt.solar.photovoltaic groups.google.com] - Newsgroup alt.solar.photovoltaic (englisch)
- [http://bsi-solar.de www.bsi-solar.de] - Bundesverband Solar-Industrie Kategorie:Solarenergie Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Umwelttechnik

Alexandre Edmond Becquerel

Alexandre Edmond Becquerel (
- 24. März 1820 in Paris; † 11. Mai 1891 in Paris) war ein französischer Physiker.

Leben

Alexandre Edmond Becquerel wurde als zweiter Sohn von Antoine César Becquerel am 24. März 1820 in Paris geboren. Er war erst Assistent am naturwissenschaftlichen Museum (Musée d'histoire naturelle) in Paris und lehrte dort seit 1853 als Professor, von 1853 bis 1878 am Conservatoire des Arts et Métiers und wurde 1880 Präsident der Académie des sciences. Er entdeckte 1839 zusammen mit seinem Vater den fotoelektrischen Effekt. Im konkreten Fall stellte er fest, dass eine Batterie unter Einfluss von Sonnenlicht eine verlängerte Lebensdauer hatte. Neben seiner Beteiligung an den Arbeiten seines Vaters forschte er auf weiteren Gebieten, besonders über die Phosphoreszenz des Lichts und die chemischen Wirkungen desselben, welche einen wichtigen Teil seines Werks La lumiére, ses causes et ses effets bilden. Er zeigte mit Hilfe seines Phosphoroskops (Phosphoroskop nach Becquerel), dass die Phosphoreszenz eine allgemeine Erscheinung und dass das Phosphoreszenzlicht nur eine Wiederausgabe des von den Körpern vorher absorbierten Lichts ist. Auch untersuchte er die Leitungsfähigkeit verschiedener Stoffe für den galvanischen Strom, die Wärmewirkung des Stroms in Flüssigkeiten und die magnetischen (Entdeckung des Paramagnetismus' flüssigen Sauerstoffs), respektive diamagnetischen Eigenschaften vieler Substanzen. Er hat weitere Forschungen zur Optik und Elektrizität durchgeführt. Alexandre Edmond Becquerel ist der Vater des Nobelpreisträgers Antoine Henri Becquerel.

Werke

- La lumière, ses causes et ses effets, Paris, 2 Bände, 1867-1868
- Mémoires sur les lois, qui président à la décomposition électro-chimique des corps, 1849
- Recherches sur les effets électriques, 1852-55
- Des forces physico-chimiques et de leur intervention des phénomènes naturels, 1875, mit Atlas

Weblinks

- [http://www.wdr.de/themen/kultur/stichtag/2005/03/_img/bild0324_400h.jpg?rubrikenstyle=stichtag Bild von Alexandre Edmond Becquerel]
- [http://www.wdr.de/themen/kultur/stichtag/2005/03/24.jhtml WDR Beitrag - Erbliche Physik] Becquerel, Alexandre Edmond Becquerel, Alexandre Edmond Becquerel, Alexandre Edmond Becquerel, Alexandre Edmond Becquerel, Alexandre Edmond

Elektrolyse

Unter Elektrolyse (griech. "mittels Elektrizität befreien") versteht man die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter der Einwirkung des elektrischen Stroms. Viele Elektrolysen sind technisch sehr bedeutend: Die Metalle Aluminium und Magnesium werden elektrolytisch hergestellt, letzteres wird wiederum zur Produktion von Titan benötigt. Die Alkalimetalle und die meisten Erdalkalimetalle werden durch Elektrolyse gewonnen, ferner die Halogene Fluor, Brom und Chlor, das etwa für weitere Synthesen in großem Maßstab verwendet wird. Auch die Galvanik beruht auf Elektrolysen. Metallabscheidungen gehören zu den wichtigsten Anwendungen, entweder – wie die oben genannten Beispiele zeigen - zur Gewinnung von elementaren Metallen als solchen oder zur Erzeugung von metallischen Überzügen bei der Galvanik oder zur Herstellung von Leiterbahnen in der Prozessorproduktion, außerdem zur Reinigung und Trennung von Metallen bei der Elektroraffination. Wie die obigen Beispiele zeigen, werden aber auch Nichtmetalle wie die Halogene elektrolytisch gewonnen. Besonders zu erwähnen sind Wasserstoff und Sauerstoff, die durch Wasserelektrolyse prinzipiell sehr leicht zugänglich sind. Bisher war es aber zumeist billiger, Wasserstoff aus Erdöl oder Erdgas und Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen, während die Elektrolyse nur in Gegenden rentabel war, in denen billiger Strom, z. B. aus Wasserkraft, zur Verfügung stand. Wenn sich Erdgas und Erdöl und daraus gewonnene Treibstoffe weiter verteuern, so ist zu erwarten, dass zukünftig der Wasserelektrolyse mittels elektrischer Energie z. B. aus Kern- und Solarstrom zur Gewinnung von Wasserstoff als Energieträger eine besondere Bedeutung zukommt. Bei der Elektrolyse wird elektrische in chemische Energie umgewandelt. Besonders im Falle von Wasserstoff und Sauerstoff wird auch die Umkehrung genutzt, die Gewinnung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle, die zusammen mit der Wasserelektrolyse zentrale Baustein einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft wären.

Zur Geschichte

1800 erfand Alessandro Volta die erste brauchbare Batterie, die voltasche Säule. Mit dieser Stromquelle waren erstmals auch gezielte Anwendungen der Elektrolyse möglich, und bald darauf wurde sie genutzt – vor allem von Humphry Davy in den Jahren 1807 und 1808, um die bis dahin unbekannten Elemente Natrium, Kalium, Barium, Strontium, Kalzium und Magnesium herzustellen. Michael Faraday untersuchte die Elektrolyse genauer und entdeckte ihre Grundgesetze, nämlich die Abhängigkeit der umgesetzten Massen von Ladung und Molmasse. Außerdem schuf Faraday auch die Begriffe Elektrolyse, Elektrode, Elektrolyt, Anode, Kathode, Anion und Kation, veröffentlicht in seiner Arbeit 1832/1834. 1886 entwickelten Paul Louis Toussaint Héroult und Charles Martin Hall eine Elektrolysemethode zur Gewinnung von Aluminium, die heute nach den Entdeckern Hall-Héroult-Process genannt wird und die Grundlage heutiger Verfahren ist. Schon zwei Jahre später wurden Firmen gegründet, die diese anwandten, und 1900 wurden bereits 80000 Tonnen Aluminium elektrolytisch gewonnen.

Prinzipien

Die Elektrolyse ist ein Vorgang, der durch die von außen angelegte elektrische Spannung erzwungen wird: Die Spannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel ("Elektronensog") in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode und einen Elektronenüberschuss ("Elektronendruck") in der anderen, mit dem Minuspol verbundenen Elektrode. Die elektrochemische Oxidation erfolgt an der Anode und besteht in einem Elektronenentzug durch die Elektrode: Die Anode ist bei der Elektrolyse die positiv geladene Elektrode (Pluspol), die Kathode ist der Minuspol. Damit die Spannung während der Elektrolyse aufrecht erhalten bleibt, muss von außen Energie zugeführt werden, und es fließen elektrische Ströme: Die Spannungsquelle bringt Elektronen von der Anode, also vom Pluspol, zum Minuspol, was nur möglich ist, indem sie eine entsprechende Arbeit leistet. Sie "pumpt" Elektronen von der Anode zur Kathode. Damit der Stromkreis geschlossen bleibt, muss im Elektrolyten dieselbe Stromstärke herrschen, wobei der Ladungstransport hier durch die Ionen erfolgt: die negativ geladenen Anionen wandern bevorzugt zur positiv geladenen Anode, die positiv geladenen Kationen wandern zur negativ geladenen Kathode. Der Übergang zwischen Elektronenleitung und Ionenleitung erfolgt durch die Vorgänge an den Elektroden.

Versuchsaufbau

Anwendungen

Elektrolyse von Wasser

Die Elektrolyse von Wasser besteht aus 2 Teilreaktionen, die an den 2 Elektroden ablaufen. Die Elektroden tauchen in Wasser ein, welches durch die Zugabe von etwas Schwefelsäure besser leitend gemacht wird. Positiv geladene Hydronium-Ionen(H₃O⁺) wandern im elektrischen Feld zu der negativ geladenen Elektrode (Kathode), wo sie jeweils ein Elektron aufnehmen. Dabei entstehen Wasserstoff-Atome, die sich mit einem weiteren, durch Reduktion entstandenen H-Atom zu einem Wasserstoff-Molekül vereinigen. Übrig bleiben Wasser-Moleküle. 2 H₃O⁺ + 2 e^- → H₂ + 2 H₂O Der abgeschiedene, gasförmige Wasserstoff steigt an der Kathode auf. Zur positiv geladenen Elektrode (Anode) wandern die negativ geladenen Hydroxid-Ionen. Jedes Hydroxid-Ion gibt zwei Elektronen an den Plus-Pol ab, so dass Sauerstoff-Atome entstehen, die sich zu Sauerstoff-Molekülen vereinigen. Die übrig bleibenden H⁺-Ionen werden umgehend von Hydroxid-Ionen zu Wasser-Molekülen neutralisiert. 2 OH^- → 1/2 O₂ + H₂O + 2 e^- Auch hier steigt der abgeschiedene Sauerstoff als farbloses Gas an der Anode auf. Die Gesamtreaktionsgleichung der Elektrolyse von Wasser lautet: 4 H₃O⁺ + 4 OH^- → 2 H₂ + O₂ + 6 H₂O Der Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt bei ca. 70 %. Bei der alkalischen Elektrolyse bei etwa 90 %. Bei Verwendung von Iridiumdioxid-Katalysatoren als Anode, Platin als Kathode und perfluorierten sulfonsäurehaltigen Membranen (Nafion) als Elektrolyt wurden kürzlich Wirkungsgrade von 93% erreicht. Die energetische Betrachtung ist beispielsweise bei der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger vonnöten. Wenig dokumentiert ist die elektrodynamische Elektrolyse, in der die Ionen in einem pulsierenden elektrischen und magnetischen Feld beschleunigt werden. Zur Optimierung des Wirkungsgrades können auch Temperaturerhöhung und Photonenbestrahlung (Solarhydrolyse) Einsatz finden. Auch Vakuum kann in der Extraktion von gasartigen Elektrolyseprodukten wirkungsgraderhöhend angewandt werden. Spezialfälle der Elektrolyse sind die Voltammetrie und die Polarographie. Hier verwendet man die Messung des Elektrolysestromes, in Abhängigkeit von der Spannung, um Aufschluss über die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten zu erhalten.

Quantitative Analyse

Die Zersetzung von Elektrolyten durch elektrischen Strom wird in der Elektrogravimetrie und in der Coulometrie angewendet, um Informationen über den Metallgehalt einer Probe zu erlangen.

Hersteller von Elektrolyseanlagen (A-Z)

- Ammonia Casale
- Hidroenergia VCST
- Proton Energy System Incorporated
- Norsk Hydro Electrolysers AS (Norwegen)
- Stuart Energy Europe NV (Belgien)
- Teledyne Energy Systems Inc.
- The Electrolyser Corporation Ltd. (Kanada)
- Outokumpu Technology (Finnland, Germany)

Siehe auch

- technisch wichtig: Chloralkalielektrolyse zur Gewinnung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff. Amalgam-Verfahren, Diaphragmaverfahren, Membranverfahren, Zink-Elektrolyse (Zink-Gewinnung), Raffinations- und Gewinnungs-Elektrolyse zwecks Kupfer-Gewinnung
- Schmelzflusselektrolyse Elektrolyse unedler Metalle
- Radiolyse
- Elektrolyseur
- Chemie für die Schule
- Portal:Chemie

Weblinks

- [http://www.elektronikkompendium.de/sites/grd/0209102.htm Allgemeine Beschreibung mit Zeichnung]
- [http://www.ise.fhg.de/german/fields/field5/mb1/index.html Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme]
- http://www.hyweb.de/Wissen/w-i-energiew3.html
- http://www.dwv-info.de/ Kategorie:Elektrochemie Kategorie:Trennverfahren ja:電気分解 ko:전기분해

Platin

Platin ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Pt und der Ordnungszahl 78. Platin ist ein schweres, schmiedbares, dehnbares, edles, grau-weißes Übergangsmetall. Platin ist sehr korrosionsbeständig und wird zur Herstellung von Schmuckwaren, Laborgeräten, Zahnimplantaten, Kontaktwerkstoffen und Katalysatoren verwendet.

Geschichte

Platin wurde schon vor der Entdeckung Amerikas durch Kolumbus von den Indianern Südamerikas benutzt. Der Name leitet sich vom spanischen Wort platina, der Kleinerungsform von plata "Silber", ab. Die erste europäische Referenz stammt von dem italienischen Humanisten Julius Caesar Scaliger (1484-1558). Er beschreibt ein mysteriöses weißes Metall, das sich allen Schmelzversuchen entzog. Eine ausführlichere Beschreibung der Eigenschaften findet sich in einem 1748 veröffentlichten Bericht von Antonio da Ulloa. Das Problem der Platinschmelze wurde im 19. Jahrhundert von dem deutschen Chemiker Heraeus gelöst.

Vorkommen

Südafrika, Russland (vor allem nördlicher Ural), Kanada und Kolumbien.

Gewinnung und Darstellung

Metallisches Platin (Platinseifen) wird heute praktisch nicht mehr abgebaut. Platinbergwerke gibt es nur in Südafrika (Transvaal).
Platinquellen sind auch die Buntmetallerzeugung (Kupfer und Nickel) in Sudbury (Ontario) und Norilsk (Russland). Hier fallen die Platingruppenmetalle als Nebenprodukt an. Als Platinnebenmetall bezeichnet man fünf Metalle, die in ihrem chemischen Verhalten dem Platin so ähneln, dass die Trennung und Reindarstellung ursprünglich große Schwierigkeiten machte. 1803 wurden Iridium, Osmium, Palladium, Rhodium, und 1844 wurde Ruthenium entdeckt.

Eigenschaften

Das sehr korrosionsbeständige, schmiedbare und weiche Schwermetall zeigt im reinen, polierten Zustand den sog. Dunkelglanz. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff und andere Gase werden von Platin im aktivierten Zustand gebunden. Es besitzt daher sehr bemerkenswerte katalytische Eigenschaften; Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in seiner Anwesenheit explosiv miteinander zu Wasser. Allerdings werden Platinkatalysatoren schnell durch Alterung und Verunreinigungen inaktiv (vergiftet).
Die hohe Haltbarkeit und Anlaufbeständigkeit und Seltenheit eignen Platin besonders zur Herstellung von hochwertigen Schmuckwaren.
Platin zeigt, wie auch die anderen Metalle der Platingruppe, ein widersprüchliches Verhalten. Einerseits ist es edelmetalltypisch chemisch träge, andererseits hochreaktiv, katalytisch-selektiv gegenüber bestimmten Substanzen und Reaktionsbedingungen. Auch bei hohen Temperaturen zeigt Platin ein stabiles Verhalten. Es ist daher für viele industrielle Anwendungen interessant.
In Salz- und Salpetersäure ist es unlöslich. Von Königswasser wird es unter Bildung von rotbrauner Hexachloroplatin(IV)-säure angegriffen. Auch von Alkali-, Peroxid-, Nitrat-, Cyanid- und anderen Salzschmelzen wird Platin angegriffen. Viele Metalle bilden mit Platin Legierungen, beispielsweise Eisen, Nickel, Kupfer, Kobalt, Gold, Wolfram, Gallium, Zinn, etc. Besonders hervorzuheben ist, dass Platin zum Teil unter Verbindungsbildung mit heißem Schwefel, Phosphor, Bor, Silicium, Kohlenstoff in jeder Form reagiert, das heißt auch in heißen Flammengasen. Auch viele Oxide reagieren mit Platin, weshalb auch nur bestimmte Werkstoffe als Tiegelmaterial eingesetzt werden können. Beim Schmelzen des Metalls mit beispielsweise Propan-Sauerstoff muss deshalb mit neutraler bis schwachoxidierender Flamme gearbeitet werden. Beste Möglichkeit ist das flammenfreie elektrisch-induktive Heizen des Schmelzgutes in Zirkonoxidkeramiken.

Verwendung

Aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der hervorragenden Eigenschaften eignen Platin und Platinlegierungen sich hervorragend für zahlreiche unterschiedliche Einsatzgebiete. So ist Platin ein favorisiertes Material zur Herstellung von Laborgeräten. Da Platin keine Flammenfärbung erzeugt, werden z.B. dünne Platindrähte verwendet, um Stoffproben in die Flamme eines Bunsenbrenners zu halten. Platin wird darüber hinaus in einer nahezu unüberschaubare Anzahl von Bereichen verwendet:
- Schmuckwaren
- Thermoelemente
- Heizleiter
- Kontaktwerkstoffe
- Katalysatoren
- Wasserstoffspeicher
- Magnetwerkstoffe
- Chemischer Apparatebau
- Schmelztiegel für die Glasherstellung
- Glaseinschmelzlegierungen
- Medizinische Implantate, Zahnersatz
- Herzschrittmacher
- Schubdüsen, Verkleidungen für Raketen
- Arzneimittel gegen Krebs (Cytostatika, beispielsweise Cisplatin)
- Schreibfedern
- Spinndüsen
- Platinspiegel (Spiegel und Glasfenster die nur auf der vom Glas abgewandten Seite reflektieren.)
- Döbereinersches Feuerzeug (hist.) Das Internationale Kilogrammprototyp, das in einem Tresor des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt wird, besteht aus einer Legierung von 90% Platin und 10% Iridium.
Aus der selben Legierung besteht das Internationale Meterprototyp von 1889, das bis 1960 das Meter definierte.

Sicherheitshinweise

Platin ist normalerweise nicht gesundheitsschädigend. Seine Verbindungen sollten als hochtoxisch angesehen werden. Einige Platinverbindungen (z.B. Cisplatin, Carboplatin) werden zur Chemotherapie gegen Krebs eingesetzt.

Verbindungen

- Platin(VI)-oxid (PtO₃)
- Platin(II)-chlorid (PtCl₂)
- Tetrachloroplatin(II)-säure (H₂PtCl₄)
- Hexachloroplatin(IV)-säure (H₂PtCl₆)
- Platin(IV)-fluorid (PtF₄)
- Platin(V)-fluorid (PtF₅)
- Platin(VI)-fluorid (PtF₆)
- Platin(II)-bromid (PtBr₂)
- Platin(IV)-bromid (PtBr₄)
- Platin(II)-iodid (PtI₂)
- Platin(IV)-iodid (PtI₄) Ein Beispiel für eine Verbindung mit Platin in der Oxidationstufe 0 ist
- Tetrakis(triphenylphosphin)platin (Pt(PPh₃)₄)

Weblinks

- [http://periodic.lanl.gov/elements/78.html Los Alamos National Laboratory - Platinum]
- [http://www.vanderkrogt.net/elements/elem/pt.html A balanced historical account of the sequence of discoveries of platinum; illustrated.]
- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Pt/index.html WebElements.com - Platinum]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Pt.html EnvironmentalChemistry.com - Platinum]
- [http://www.taprofessional.de/charts/Platin-Unze-Line-Chart.htm Charts: Kurs/Preis-Entwicklung Platin in Dollar] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-10-Element Kategorie:Periode-6-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Katalysator Kategorie:Edles Material ja:プラチナ simple:Platinum

Kathode

In der Chemie ist eine Kathode (von griech. kathodos = hinunter) die Elektrode, an der eine Reduktionsreaktion stattfindet. Es werden also Elektronen über den elektrischen Anschluss aufgenommen und an die chemische Reaktion abgegeben (der Minuspol). Die Kathode ist die Gegenelektrode zur Anode. Kationen wandern zur Kathode und Anionen zur Anode. Eine elektrochemische Reaktion findet immer an der Phasengrenze zwischen einer Elektrode und einer Elektrolytlösung, einem ionenleitenden Feststoff oder Schmelze statt. Die bei der Reduktion entstehenden Elektronen bewegen sich aus der Kathode heraus in die andere Phase, daher der Name von griechisch kathodos für hinunter.
Bei einer Elektrolyse ist die Kathode die negative Elektrode, bei Batterien und Brennstoffzellen die positive Elektrode. Bei wiederaufladbaren Batterien (Sekundärelement, Akkumulator) kann die selbe Elektrode abwechselnd als Anode oder Kathode arbeiten, je nachdem ob die Batterie geladen oder entladen wird. Beispiele für Kathodenreaktionen: Korrosion
- Sauerstoff: O₂ + 4 e^- + 2 H₂O → 4 OH^-
- Wasserstoff: H₃O⁺ + e^- → H_ad + H₂O In der Elektrotechnik ist die Kathode ein Anschluss einer Elektronenstrahlröhre, Leuchtstoffröhre oder Diode. Der Pol, der an den Minuspol der Speisespannung anzuschließen ist, um einen Strom zu erhalten, wird als Kathode bezeichnet. Sehr aufwendige Kathoden findet man bei Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, zum Beispiel in Form von im Meer verlegten riesigen Kupferringen. Kategorie:Chemie Kategorie:Elektrochemie Kategorie:Elektrotechnik ja:カソード

Fotovoltaik

]] Die Fotovoltaik (auch Photovoltaik) beschäftigt sich mit der Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie und ist seit 1958 zur Energieversorgung (zunächst von Satelliten) im Einsatz. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität - zusammen.

Technische Beschreibung

Elektrizität Die als Licht auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 10.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 1998, 402 E J) der Menschheit. Der Energieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 10¹⁸ kWh. Diese Strahlungsenergie kann fotovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne daß Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt. Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt oder gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Fotovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie verfügbar zu haben, muss die Energie gespeichert werden. Dies kann beispielsweise mittels Akkumulatoren oder Brennstoffzellen geschehen. Bekannte, batteriegepufferte Inselsysteme sind Parkuhrsysteme, die sich häufig in größeren Städten finden. Die fotovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Fotovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die fotovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Auch auf längere Sicht hin werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Allerdings haben das Stromeinspeisegesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Fotovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Leistung von Fotovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten 10 Jahren.

Leistung

Die Nennleistung in der Fotovoltaik wird in W_p (Watt_peak) beziehungsweise kW_p angegeben. "peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad. Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg entsteht auf dem Gelände des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee 2005/2006 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von mehr als 12 Megawatt.

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Fotovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 10 und 16 Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein. Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Fotovoltaik aufgrund des zur Zeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv.

Potential

Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes um in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Fotovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung von bisher bebauten Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Das oft geforderte Ausweichen auf sonnenreichere Gegenden ist also nicht notwendig. Diese Zahl ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kW_p pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kW_p, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km².

Geschichte der Fotovoltaik

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen. Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet. Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreicht die Gesamtleistung der in Deutschland installierten Fotovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt_peak.

Siehe auch

- Solarstrom, Grätzel-Zelle, Füllfaktor (Solarzelle),
- Solarbatterie, Solarfahrzeug, Solarflugzeug, Solarluftschiff,
- Solartechnik, Regenerative Energie, Zukunftstechnologie, SolarWorld AG

Literatur

- Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV Verlag, Köln 2005, ISBN 3-8249-0854-9
- Thomas Seltmann: Fotovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis Verlag, Berlin 2000 (aktualisiert 2004), ISBN 3-934595-02-2
- Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik. Teubner, Wiesbaden 1997, ISBN 3519132141
- H.-G. Wagemann, H. Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung. Teubner, Wiesbaden 1994, ISBN 3-519-03218-X

Weblinks

- [http://www.photovoltaikforum.com www.photovoltaikforum.com] - Benutzerforum zu allen Fragen rund um das Thema Photovoltaik
- [http://www.bine.info/templ_main.php/erneuerbare_energien/photovoltaik www.bine.info] - Portal zur Energieforschung: Thema Fotovoltaik
- [http://www.volker-quaschning.de www.volker-quaschning.de] informative Seite zur Fotovoltaik, zu regenerativen Energien
- [http://www.top50-solar.de www.top50-solar.de] - Portal mit den beliebtesten Webseiten zum Thema
- [http://www.solarserver.de www.solarserver.de] - Portal für Fotovoltaik in Deutschland
- [http://www.solaranlagen-portal.de www.solaranlagen-portal.de] - Solaranlagen-Portal
- [http://www.dgs.de www.dgs.de] - Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.
- [http://www.sfv.de www.sfv.de] - Solarenergie Förderverein Deutschland e.V.
- [http://www.solarwirtschaft.de www.solarwirtschaft.de] - Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft
- [http://www.ise.fhg.de www.ise.fhg.de] - Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
- [http://www.pv-ertraege.de www.pv-ertraege.de] - Bundesweite Aufnahme der monatlichen Stromertragsdaten von Fotovoltaikanlagen
- [http://www.iwr.de/solar/eeg-rechner/index.php www.iwr.de] - EEG-Vergütungsrechner Photovoltaik
- [http://www.iwr.de www.iwr.de] - Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR)
- [http://www.nrel.gov/ncpv/ www.nrel.gov] - USA - National Center for Photovoltaics (englisch)
- [http://www.solarbuzz.com www.solarbuzz.com] - weltweite News und Preise (englisch)
- [http://groups.google.com/groups?q=alt.solar.photovoltaic groups.google.com] - Newsgroup alt.solar.photovoltaic (englisch)
- [http://bsi-solar.de www.bsi-solar.de] - Bundesverband Solar-Industrie Kategorie:Solarenergie Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Umwelttechnik

Selen

Selen ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Se und der Ordnungszahl 34. Es kommt in mehreren Modifikationen vor, die stabilste ist die graue metallähnliche Form.

Geschichte

Selen – benannt nach der griechischen Mondgöttin Selene - wurde 1817 von Jöns Jacob Berzelius im Bleikammerschlamm einer Schwefelsäurefabrik entdeckt, der neben Selen auch Tellur (von lat. tellus für Erde) enthielt.

Vorkommen

In kleinen Mengen kommt gediegenes Selen natürlich vor. Selenmineralien wie Clausthalit und Naumannit sind selten. Selen ist, meist als Metallselenid, Begleiter schwefelhaltiger Erze der Metalle Kupfer, Blei, Zink, Gold und Eisen. Beim Abrösten dieser Erze sammelt sich das feste Selendioxid in der Flugasche oder in der nachgeschalteten Schwefelsäureherstellung als selenige Säure. Als essentielles Spurenelement ist Selen Bestandteil einer 21ten Aminosäure, Selenocystein, sowie in Bakterien, Archaea und Eukaryoten enthalten.

Gewinnung und Darstellung

Industriell gewinnt man Selen als Nebenprodukt bei der elektrolytischen Kupfer- und Nickelherstellung aus dem Anodenschlamm durch Abrösten.
Die Reduktion zum elementaren Selen erfolgt durch Schwefeldioxid.

Eigenschaften

Selen kommt wie Schwefel in mehreren Modifikationen vor:
- Rotes Selen, löslich in Kohlenstoffdisulfid, besteht aus Se₈-Ringen, welches sich oberhalb 80 °C in das graue Halbleitermetall umwandelt. Elementares, rotes Selen ist ein Isolator.
- Schwarzes amorphes Selen, das sich oberhalb 60 °C in das schwarze glasartige Selen umwandelt. Beide Formen wandeln sich beim Erwärmen oberhalb von 80 °C in das graue Halbleitermetall um.
- Graues metallisches Selen ist die stabilste Modifikation und verhält sich wie ein Halbmetall. Durch Belichtung ändert es seine elektrische Leitfähigkeit. Zusätzlich zeigt es einen photovoltaischen Effekt.
Oberhalb des Schmelzpunktes von 220 °C bildet es eine schwarze Flüssigkeit. Der bei weiterer Temperaturerhöhung entstehende Selendampf ist gelb.
Beim Erhitzen in Luft verbrennt Selen mit blauer Flamme zum Selendioxid SeO₂. Oberhalb von 400 °C setzt es sich mit Wasserstoff zum Selenwasserstoff H₂Se um. Mit Metallen bildet es in der Regel Selenide, zum Beispiel Natriumselenid Na₂Se. Das chemische Verhalten ist dem Schwefel ähnlich, allerdings ist Selen schwerer oxidierbar. Die Reaktion mit Salpetersäure bildet "nur" Selenige Säure, eine Selen(IV)-Verbindung.

Isotope

Das Selen weist eine Vielzahl von Isotopen auf. Die 6 natürlichen (stabilen) Isotope sind mit ihrem jeweiligen Anteil: Se-74 (0,9%), Se-76 (9,0%), Se-77 (7,6%), Se-78 (23,6%), Se-80 (49,7%) und Se-82 (9,2%). Daneben kennt man einige radioaktive Isotope, unter denen Se-75 mit einer Halbwertszeit von 120 Tagen und Selen-79 mit einer Halbwertszeit von 65.000 Jahren besondere Bedeutung haben. Se-75 findet zur Konstruktion spezieller Röntgenquellen Anwendung. Se-79 ist Bestandteil von abgebranntem Kernbrennmaterial, wo es bei der Spaltung von Uran mit einer Häufigkeit von 0,04% entsteht. Das seltenste der stabilen Isotope Se-74 hat eine gewisse Bedeutung als Spekulationsobjekt erlangt. Es wird immer wieder zu sehr hohen Preisen auf dem Markt angeboten. Außer einigen sehr spezialisierten Anwendungen in der Forschung wo es zur Markierungszwecken dient, ist für dieses Material jedoch keine besondere technische Verwendung bekannt.

Verwendung

Selen ist für alle Lebensformen essentiell. Selenverbindungen werden daher als Nahrungsergänzung angeboten und zu Futter- und Düngemittelzusätzen verarbeitet.
In der Glasindustrie verwendet man es zum Entfärben grüner Gläser sowie zur Herstellung rotgefärbter Gläser. Weitere Anwendungen:
- Belichtungstrommeln für Fotokopierer und Laser-Drucker
- Bestandteil von Nervenkampfgasen
- Halbleiterherstellung
- Anti-Schuppen-Haarshampoos (Verwendung umstritten)
- Latexzusatz zur Erhöhung der Abrasionsbeständigkeit
- Toner für Schwarz-Weiß-Fotografien zur Kontrasterhöhung (helle Töne bleiben unverändert, man kann dunklere Schwärzen erreichen, die dunklen Teile wirken insgesamt plastischer), Haltbarkeitserhöhung (nicht eindeutig nachgewiesen) und zur leichten Färbung der dunklen Bildbestandteile ins aubergine-farbene (ebenfalls zur Plastizitätserhöhung)
- Katalysator zur Herstellung roter und gelber Farbpigmente (heute eher selten)
- Legierungszusatz zur Verbesserung der mechanischen Bearbeitbarkeit für Automatenstähle und Kupfer-Legierungen
- Verwendung in einem Gleichrichter, heute allerdings weitgehend durch Silizium (Halbleiter) abgelöst.

Biologische Bedeutung

Selen ist trotz seiner Giftigkeit ein essentielles Spurenelement mit sehr geringer therapeutischer Breite. Es ist in Selenocystein, der Aminosäure im aktiven Zentrum des Enzyms Glutathionperoxidase enthalten, wodurch Selen eine wichtige Rolle beim Schutz der Zellmembranen vor oxidativer Zerstörung spielen kann (Radikalfänger). Knoblauch ist eine wichtige Selenquelle. Selen ist ebenfalls Bestandteil von verschiedenen Enzymen, deren Bedeutung zum Teil noch nicht geklärt ist. Siehe auch:
- Marktl W (2001): Physiologie und Ernährungsphysiologie von Selen. In: Journal für Mineralstoffwechsel, 2001; 8(3): 34–36, [http://www.kup.at/kup/pdf/841.pdf].

Selen und Schilddrüsenhormone

Selen spielt eine wichtige Rolle bei der Produktion der Schilddrüsenhormone, genauer bei der "Aktivierung" von Thyroxin (T4) zu Trijodthyronin (T3). Selen ist Bestandteil eines Enzyms, der Thyroxin-5'-Dejodase (Thyroxin-5'-Deiodase), die für die Entfernung eines Jodatoms aus T4 verantwortlich ist. Durch diese Dejodierung entsteht T3. Ein Selenmangel führt zu einem Mangel an Thyroxin-5'-Dejodase, wodurch nur noch ein Teil des verfügbaren T4 dejodiert werden kann. Da T3 im Stoffwechsel wesentlich wirksamer ist, resultiert aus einem T3-Mangel eine Schilddrüsenunterfunktion (Hypothyreose). Vergleiche dazu auch:
- JR Arthur, F Nicol, and GJ Beckett (1993): Selenium deficiency, thyroid hormone metabolism, and thyroid hormone deiodinases. In: Am. J. Clinical Nutrition, Feb 1993; 57: 236–239, [http://www.ajcn.org/cgi/content/abstract/57/2/236S?maxtoshow=&HITS=10&hits=10&RESULTFORMAT=&fulltext=selenium+thyroid+metabolism+deiodinase&andorexactfulltext=and&searchid=1105533515940_3546&stored_search=&FIRSTINDEX=0&sortspec=relevance&resourcetype=1&journalcode=ajcn].
- Ekmekcioglu C (2000): Spurenelemente auf dem Weg ins 21. Jahrhundert - zunehmende Bedeutung von Eisen, Kupfer, Selen und Zink. In: Journal für Ernährungsmedizin 2000; 2 (2) (Ausgabe für Österreich): 18–23, [http://www.kup.at/kup/pdf/302.pdf].

Sicherheitshinweise

Selen und Selenverbindungen sind giftig. Direkter Kontakt schädigt die Haut (Blasenbildung) und Schleimhäute. Eingeatmetes Selen kann zu langwierigen Lungenproblemen führen usw.

Verbindungen

- Selendioxid SeO₂
- Selenige Säure H₂SeO₃
- Selane RSeR
- Diselane RSeSeR
- Triselane RSeSeSeR
- Selenole RSeH
- Selenenyle RSeX

Weblinks

- [http://periodic.lanl.gov/elements/34.html Los Alamos National Laboratory – Selenium]
- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Se/index.html WebElements.com – Selenium]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Se.html EnvironmentalChemistry.com – Selenium]
- [http://ods.od.nih.gov/factsheets/selenium.asp Office of Dietary Supplements Fact Sheet: Selenium]
- [http://bfr.zadi.de/icsc/index.cfm?nav=index_name_und_synonyme&Ueberschrift01=Index%20A-Z%20%FCber%20Namen,%20einschl.%20Synonyme&dbval=/DDW?W%3DNAMESY++%3D+%27SELEN%27%26M%3D1%26K%3D0072%26R%3DY%26U%3D1 International Chemical Safety Cards – Selen] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Periode-4-Element Kategorie:Chalkogen Kategorie:Nichtmetall ja:セレン nb:Selen

Elektrischer Widerstand

Schaltzeichen

Der elektrische Widerstand (Formelzeichen: R) ist ein Begriff aus der Elektrotechnik. Er charakterisiert die Eigenschaft von Materialien, den durch elektrische Felder bzw. Spannungen hervorgerufenen elektrischen Strom zu hemmen. Das Formelzeichen R kommt von dem englischen Wort "resistance". Der Widerstand hat die SI-Einheit Ohm, sein Einheitenzeichen ist das große Omega

\Omega

. Für Gleichstromkreise gilt bei konstantem Widerstand das ohmsche Gesetz : :

R=\frac

:U: elektrische Spannung :I: elektrische Stromstärke Mehr dazu im Abschnitt ohmscher Widerstand (Gleichstromwiderstand). In Wechselstromkreisen gilt bei konstantem Widerstand ebenfalls das ohmsche Gesetz. Dieses einfache Gesetz gilt nicht mehr für z. B. Halbleiter; aber auch metallische Leiter haben keinen konstanten Widerstand, wenn man sie in einem großen Temperaturbereich betrachtet, das gilt z. B. für den Leuchtfaden in einer Glühlampe. Bei Wechselspannung spielt zusätzlich der kapazitive bzw. der induktive Widerstand eine Rolle, d. h. es treten außerdem noch Blindwiderstände auf, an denen Spannung abfällt; sie selbst verbrauchen aber keine Leistung. Tritt in Gleichstromkreisen ein Kondensator (Kapazität) auf, gilt allerdings das ohmsche Gesetz auch dort während des Auf- oder Entladens des Kondensators nicht. (siehe Abschnitt 3). Der Kehrwert des elektrischen Widerstands ist der Leitwert G: :

G = \frac

Der elektrische Widerstand von Materialien wird als spezifischer elektrischer Widerstand angegeben. Es wird zwischen Materialien mit relativ geringem elektrischen Widerstand (elektrische Leiter; u.a. Metalle) und Materialien mit hohem elektrischen Widerstand (elektrische Isolatoren; meist Nichtmetalle) unterschieden. Starre Grenzen sind in dieser Einteilung aber nicht möglich, da der Übergang fließend ist und teilweise stark von der Temperatur abhängt (siehe Abschnitt Temperaturabhängigkeit).

Geschichte

Die Leitfähigkeit von Metallen wurde erstmals von Georg Simon Ohm systematisch untersucht. Das von Ohm formulierte Gesetz wurde nach ihm benannt. Dieses sehr simpel erscheinende Gesetz wurde zu einer Zeit gefunden, als es noch keine „richtigen“ Spannungsquellen gab. Es war von anderen physikalischen Effekten überlagert. Erst vor diesem Hintergrund kann man die große wissenschaftliche Leistung würdigen.

Ohmscher Widerstand (Gleichstromwiderstand)

Für gängige elektrische Leiter gilt das ohmsche Gesetz. Es besagt, dass der Quotient aus abfallender Spannung U und durchfließendem Strom I konstant ist und den Wert R hat. :

R = \frac\,

Diese Konstante wird als ohmscher Widerstand oder Gleichstromwiderstand bezeichnet. Der Widerstand eines Körpers lässt sich auch über seine geometrischen Abmessungen und der entsprechenden materialspezifischen Konstante, dem spezifischen Widerstand ρ berechnen. Für einen in Längsrichtung durchflossenen geraden Leiter gilt: :

R = \rho \cdot

Die Querschnittsfläche A berechnet sich für runde Drähte mit dem Durchmesser d nach der Formel

A=\pi\cdot\frac

. : Bild:Widerstand_Formel.PNG Bei der Berechnung sollte aber beachtet werden, dass der spezifische Widerstand von der Temperatur abhängig ist, hierzu siehe Abschnitt Temperaturabhängigkeit.

Der elektrische Widerstand im Teilchenmodell

Die physikalische Beschreibung benutzt die Vorstellung, dass sich die Valenzelektronen im Metall wie ein Gas (Elektronengas) verhalten. Im einfachsten Modell bildet das Metall ein positiv homogen geladenes Volumen, in denen sich die Elektronen frei bewegen können. In dieses Volumen sind die Atomrümpfe eingebettet, die aus dem Atomkern und den stärker gebundenen Elektronen auf den tieferen Schalen bestehen. Legt man eine Spannung an die Drahtenden an, so werden die freien Elektronen im elektrischen Feld beschleunigt. Die Energie der Elektronen nimmt zu und damit die Temperatur des Elektronengases. Auf ihrem Weg durch das Metall geben die Elektronen einen Teil durch elastische Stöße an die Atomrümpfe ab. Durch diese Wechselwirkung ist das System Metallgitter-Elektronengas bemüht, den Temperaturgradienten, der durch die angelegte Spannung entstand, wieder abzubauen. Beim Erwärmen des Metalls verstärkt sich die thermische Schwingung der Atomrümpfe um ihre Gleichgewichtslage. Dadurch erhöht sich aber auch die Wechselwirkung mit dem Elektronengas und der Widerstand steigt. Allerdings erklärt dies nicht den Effekt des Heißleiters, der sich entgegengesetzt verhält. Bei Temperaturen, bei denen die Atome des Materials ionisiert werden (Plasma), ist jeder Stoff elektrisch leitend, da die vorher gebundenen Elektronen nun für den Ladungstransport zur Verfügung stehen. Umgekehrt sind Metalle und Oxide bekannt, für die der elektrische Widerstand unterhalb der so genannten Sprungtemperatur verschwindet: Supraleiter.

Temperaturabhängigkeit

Wie oben beschrieben berechnet sich der Gleichstromwiderstand eines geraden Leiters durch: :

R_=\rho \cdot \frac

Dies gilt aber nur für die Temperatur für die der angebene spezifische Widerstand gilt. Wenn nicht anders angegeben, gilt dies für eine Ausgangstemperatur von 20°C. Darauf weist auch die 20 im Index von R hin. Grundsätzlich ist aber der Widerstand temperaturabhängig. Dies gilt für alle Materialien. Dieses Verhalten ist materialabhängig und wird mit dem Linear-Temperaturkoeffizienten α und Bestimmung des Temperaturunterschieds (

\Delta T

) berechenbar. Im Allgemeinen beschreibt man diese Änderung durch eine Linearisierung: :

R_W = R_(1 + \alpha \cdot \Delta T) = R(T_0)(1 + \alpha \cdot (T-T_0))

bei

T_0 = 20\,^\mathrm

Für die meisten Materialien und Anwendungen reicht dies aus, da die Temperaturkoeffizienten höherer Ordnungen meist vernachlässigbar klein sind. Je nachdem ob der ohmsche Widerstandswert mit steigender Temperatur größer oder kleiner wird, unterscheidet man zwischen Kaltleitern (ohmsche Widerstandswert steigt, prinzipiell alle Metalle) und Heißleitern (ohmscher Widerstandswert sinkt). In der Technik wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ausgenutzt, z. B. beim Thermostaten oder bei Thermistoranemometern.

Wechselstromwiderstand oder Scheinwiderstand

Bei Wechselstrom ist der Widerstand im Allgemeinen frequenzabhängig und wird als Scheinwiderstand bezeichnet. Der Scheinwiderstand setzt sich zusammen aus dem frequenzunabhängigen Wirkwiderstand und dem frequenzabhängigen Blindwiderstand, der durch Kapazitäten bzw. Induktivitäten gebildet wird. :

Z = \sqrt

Blindwiderstand

Induktiver Widerstand und kapazitiver Widerstand

Induktiver Widerstand und kapazitiver Widerstand sind Blindwiderstände. Sie bewirken eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Entsprechende (ideale) Bauelemente wandeln keine Energie in Wärme um. In der Praxis haben die Bauelemente aber immer einen ohmschen Anteil. Der induktive Widerstand einer idealen Spule ist bei Gleichspannung null und wird mit wachsender Frequenz f bei Wechselspannung größer: :

X_L = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot L

Der kapazitive Widerstand eines idealen Kondensators ist bei Gleichspannung unendlich und sinkt mit wachsender Frequenz f bei Wechselspannung: :

X_C =

Wenn die Maße eines Bauteils in den Bereich der Wellenlänge kommen, besitzt es sowohl einen nicht zu vernachlässigenden induktiven als auch einen kapazitiven Anteil und wird gegebenenfalls zum Schwingkreis, als Beispiel sei hier die Antenne genannt.

Schwingkreis

Durch die Parallel- beziehungsweise Reihenschaltung von Kapazität und Induktivität entsteht ein Schwingkreis. Ein Schwingkreis hat einen frequenzabhängigen elektrischen Widerstand, der nur in der Nachbarschaft der Resonanzfrequenz extremal (minimal beziehungsweise maximal) wird. Dieser Effekt wird unter anderem angewendet, um aus einem Gemisch von Signalen unterschiedlicher Frequenz eine bestimmte Frequenz herauszufiltern.
Vergleiche: Der Tiefpass lässt nur tiefe Frequenzen passieren und der Hochpass lässt nur hohe Frequenzen passieren.
In der Elektro-Akustik wird die entsprechende Filterwirkung eines Tiefpass-Filters (das ja die hohen Frequenzen abschneidet und entfernt) oft beschrieben mit: Höhensperre, Höhenfilter, High Cut, Treble Cut und Rauschfilter und die Filterwirkung eines Hochpass-Filters (das ja die tiefen Frequenzen entfernt) wird bezeichnet mit: Tiefensperre, Bassfilter, Low Cut, Bass Cut, Trittschallfilter und Rumpelfilter. Beim realen Schwingkreis treten Kondensatorverluste und Spulenverluste durch deren ohmschen Widerstand auf. Den ohmschen Widerstand des Kondensators kann man aber meist vernachlässigen. Für den Resonanzwiderstand im Parallelschwingkreis ergibt sich: :

R_p = \frac\,.

Dieser wird bei der Resonanzfrequenz erreicht, die folgendermaßen berechnet werden kann: :

f_0 = \frac\,.

(thomsonsche Schwingungsgleichung)

Reihen- und Parallelschaltung

Reihenschaltung

Werden n Widerstände in Reihe geschaltet, so addieren sich die Widerstände: :

Veranschaulichen kann man sich dies an zwei Widerständen, die sich nur in der Länge unterscheiden.

Bild:Widerstand_R1_plus_R2.PNG

Die Reihenschaltung ergibt einen Widerstandskörper der Länge l₁ + l₂. Dann gilt: :

R = \rho \cdot  = \rho \cdot  + \rho \cdot  = R_1 + R_2

Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung von n Widerständen addieren sich die Leitwerte bzw. die reziproken Widerstände: :

=  +  + \dots +

alternative Schreibweise: :

R_=R_1 || R_2 || \dots || R_n

Schreibweise als Leitwerte: :

G_=G_1 + G_2 + \dots + G_n

Der Leitwert ist der Kehrwert des Widerstandes, seine SI-Einheit ist das reziproke Ohm, das auch den besonderen Namen Siemens führt. Man veranschaulicht sich diesen Zusammenhang an der Parallelschaltung zweier Widerstände, die sich nur in ihrer Querschnittsfläche A unterscheiden.

Bild:Widerstand_R1_R2_parallel.PNG

Man erhält einen Widerstand vom Gesamtquerschnitt A₁ + A₂, also gilt: :

R = \rho \cdot

und daher :

=  =  + =  +

Physikalische Zusammenhänge

Folgt ein Widerstand dem ohmschen Gesetz, bestehen folgende Zusammenhänge zwischen Spannung U, Stromstärke I und der elektrischen Leistung P beziehungsweise der elektrischen Arbeit W. :

U = R\cdot I

P = =\frac = I^2 \cdot R

W =  =  = I^2 \cdot R \cdot t

Sonstige elektrische Widerstände

Differenzieller Widerstand

Bei nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinien - wie zum Beispiel bei Dioden - kann für jedes Strom-Spannungspaar ebenfalls ein Quotient gebildet werden. Der Quotient aus Spannungsänderung und Stromänderung bei einer bestimmten Spannung wird auch als differenzieller Widerstand r bezeichnet. Er entspricht der Steigung der Tangente am betrachteten Punkt der Kennlinie. :

r = \frac

Negativer differenzieller Widerstand

Der differenzielle Widerstand kann in einem Teil der Kennlinie sogar negativ werden, so dass die Spannung bei steigender Stromstärke sinkt bzw. die Stromstärke bei sinkender Spannung steigt. Ein negativer differenzieller Widerstand kann zum Entdämpfen von Schwingkreisen verwendet werden. Der negative differenzielle Widerstand tritt zum Beispiel bei Avalanche- oder Tunneldioden auf.

Positiver differenzieller Widerstand

Bei positiven differenziellen Widerständen nimmt der Strom mit zunehmender Spannung zu. Alle real existierenden Schaltungselemente besitzen in einem Teil ihrer Kennlinie, jedoch stets für sehr große Werte einen positiven differenziellen Widerstand. Die meisten Elemente in der Schaltungstechnik besitzen einen ausschließlich positiven differenziellen Widerstand. Beispiele: realer Widerstand, Diode, Z-Diode, alle halbleitenden Keramiken.

Supraleitung

Unterhalb einer spezifischen Sprungtemperatur besitzt ein supraleitungsfähiges Material den ohmschen Widerstand von null Ohm. Deshalb wird ein solches Material als Supraleiter bezeichnet, da der Strom in diesem Material bei dieser tiefen Temperatur ohne jegliche Verluste fließt.

Weblinks

- [http://stshome.de/smd-code/smd-widerstand.php SMD Widerstände, SMD Widerstands-Schlüssel, SMD Widerstandsbestimmung]
- [http://www.sengpielaudio.com/Farbcodewiderstaende04.htm Farbcode für Widerstände, Widerstands-Schlüssel, Widerstandsbestimmung]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung: Elektrischer Widerstand - elektrische Spannung, elektrischer Strom und elektrische Leistung]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohmschesgesetz.htm Das ohmsche Gesetz und das magische Dreieck]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m04_widerstand.htm Versuche und Aufgaben zum elektrischen Widerstand]

Siehe auch

1876

Ereignisse

- 1. Januar: Die Mark wird als Einheitswährung in allen deutschen Bundesstaaten eingeführt
- 7. März: Alexander Graham Bell erhält ein US-Patent auf die Erfindung des Telefons
- Bulgarischer Aprilaufstand 1876
- 25. Juni: Schlacht am Little Bighorn River (Montana): Das siebte US-amerikanische Kavallerieregiment unter George A. Custer wurde von Indianern der Sioux und Cheyenne unter ihren Führern Sitting Bull und Crazy Horse vernichtend geschlagen

Religion

- Gründung der unitarischen Religionsgemeinschaft Freier Protestanten in Rheinhessen

Kultur

- 16. Januar: Uraufführung der romantischen Oper Die Hochländer von Franz von Holstein in Mannheim
- 13. Februar: Uraufführung der Oper Angelo von César Cui in Moskau
- 16. August: Im Bayreuther Festspielhaus Uraufführung der Oper „Siegfried“ von Richard Wagner
- 24. Oktober: Uraufführung der komischen Oper Der Seekadett von Richard Genée am Theater an der Wien in Wien
- 6. Dezember: Uraufführung der Oper Wakula der Schmied (zweite Fassung als „Die Pantöffelchen“, Orig.: Tscherewitschki Wakula) von Pjotr Iljitsch Tschaikowski an der Hofoper in Sankt Petersburg

Geboren

- 3. Januar: Wilhelm Pieck, deutscher Kommunist, Politiker und Präsident der DDR († 1960)
- 5. Januar: Konrad Adenauer, deutscher Politiker und Bundeskanzler († 1967)
- 9. Januar: Hans Bethge, deutscher Dichter
- 9. Januar: Robert Michels, deutscher Soziologe († 1936)
- 10. Januar: Thomas Alva Edison jr., US-amerikanischer Erfinder († 1935)
- 12. Januar: Ermanno Wolf-Ferrari, deutsch-italienischer Komponist († 1948)
- 12. Januar: Jack London, US-amerikanischer Schriftsteller († 1916)
- 14. Januar: Gustav Schröer, deutscher Journalist und Schriftsteller († 1949)
- 20. Januar: Josef Hofmann, österreichischer Pianist († 1957)
- 23. Januar: Otto Diels, deutscher Chemiker († 1954)
- 23. Januar: Rupert Mayer, Jesuitenpater († 1945)
- 25. Januar: Herbert Eulenberg, deutscher Dichter und Schriftsteller († 1949)
- 29. Januar: Ludolf Nielsen, dänischer Komponist († 1939)
- 1. Februar: Prosper L'Orange, deutscher Ingenieur und Erfinder († 1905)
- 2. Februar: Martin Knopf, deutscher Komponist
- 6. Februar: Eugène-Henri Gravelotte, französischer Fechter († 1939)
- 6. Februar: Wilhelm Schmidtbonn, deutscher Schriftsteller († 1952)
- 8. Februar: Paula Modersohn-Becker, Malerin (Expressionismus) († 1907)
- 16. Februar: Mack Swain, US-amerikanischer Schauspieler († 1935)
- 17. Februar: Hans Bernoulli, Schweizer Architekt und Professor († 1959)
- 22. Februar: Ita Wegman, Ärztin, Mitbegründerin der anthroposophischen Medizin († 1943)
- 28. Februar: John Alden Carpenter, US-amerikanischer Komponist († 1951)
- 1. März: Arthur Ruppin, Zionist und Wegbereiter zur Gründung der Stadt Tel Aviv († 1943)
- 1. März: Henri de Baillet-Latour, 3. Präsident des IOC († 1942)
- 2. März: Eugenio Maria Giuseppe Giovanni Pacelli, Papst von 1939 bis 1958 († 1958)
- 2. März: Pius XII., Papst († 1958)
- 4. März: Jakob Buchli, Schweizer Konstrukteur im Bereich des Lokomotivbaus († 1945)
- 8. März: Franco Alfano, italienischer Komponist († 1954)
- 11. März: Carl Ruggles, US-amerikanischer Komponist († 1971)
- 21. März: Ludwig Finckh, deutscher Schriftsteller und Lyriker († 1964)
- 21. März: Walter Tewksbury, US-amerikanischer Leichtathlet, Olympiasieger († 1968)
- 26. März: Wilhelm zu Wied, Prinz von Albanien († 1945)
- 29. März: Friedrich Adolph Traun, Student aus Dresden († 1908)
- 31. März: Otto Nußbaumer, österreichischer Physiker und Rundfunkpionier († 1930)
- 3. April: Tomáš Baťa, tschechischer Unternehmer, Begründer des Bata-Konzerns († 1932)
- 7. April: Heinrich Tessenow, deutscher Architekt, Professor († 1950)
- 10. April: Jean-Marie Musy, Schweizer Politiker († 1952)
- 11. April: Iwane Dschawachischwili, Gründer der Universität Tiflis († 1940)
- 12. April: Carl Heinrich Becker, deutscher Politiker, preußischer Kultusminister († 1933)
- 22. April: Robert Bárány, ungarischer Mediziner, Neurochemiker und Nobelpreisträger († 1936)
- 23. April: Arthur Moeller van den Bruck, deutscher Kulturhistoriker und Schriftsteller († 1925)
- 24. April: Erich Raeder, Admiral und Chef der Marineleitung († 1960)
- 26. April: Luis Zuegg, bedeutender Seilbahnpionier
- 26. April: Otto Linnemann, deutscher Glasmaler und Wand- und Dekorationsmaler († 1961)
- 26. April: Heinrich Hirtsiefer, deutscher Politiker († 1941]
- 5. Mai: Konstantin Gorbatoff, Maler († 1945)
- 6. Mai: Paul Silverberg, deutscher Industrieller († 1959)
- 9. Mai: Ernst Hardt, deutscher Schriftsteller († 1947)
- 10. Mai: Ivan Cankar, slowenischer Schriftsteller († 1918)
- 18. Mai: Hermann Müller, deutscher Politiker († 1931)
- 22. Mai: Julius Klinger, österreichischer Maler und Grafiker
- 24. Mai: Albert Uffenheimer, Arzt († 1941)
- 2. Juni: Hakon Børresen, dänischer Komponist († 1954)
- 5. Juni: Anton Günther, Volksdichter und Sänger des Erzgebirges († 1937)
- 13. Juni: William Gosset, englischer Statistiker († 1937)
- 19. Juni: Nigel Gresley, britische Dampflokomotivkonstrukteur († 1941)
- 20. Juni: Otto Blumenthal, deutscher Mathematiker († 1944)
- 27. Juni: Franz Baumgartner, österreichischer Architekt († 1946)
- 28. Juni: Robert Guérin, erster Präsident des Weltfußballverbandes FIFA († 1952)
- 2. Juli: Harriet Brooks, kanadische Atomphysiker († 1933)
- 2. Juli: Wilhelm Cuno, deutscher Politiker, Reichskanzler der Weimarer Republik († 1933)
- 5. Juli: Maxim Maximowitsch Litwinow, Von 1930 bis 1939 sowjetischer Außenminister († 1951)
- 7. Juli: