Batterie: Glühlampe leuchtet, Spannung bleibt konstant. Keine Entladung!! Woher die Ladungen?? Werden Ladungen erzeugt??:

Transkript

1 ELEKTRODYNAMIK. ---> bewegte Ladungen + Geladener Kondensator: Wenn Platten mit Leiter verbunden: Ladungen bewegen sich bis zum Ladungsausgleich Glühbirne leuchtet kurz Spannung zwischen Platten fällt auf 0V Batterie: Glühlampe leuchtet, Spannung bleibt konstant. Keine Entladung!! Woher die Ladungen?? Werden Ladungen erzeugt??: Spannungen: Gewöhnliche Batterie 1.5 V Akkumulator (aufladbar) 1.2 V (Ni-Cd), 2.0V (Pb)

2 Spannungsquelle: Hat zwischen den Anschlußdrähten (Pole) konstante Spannung Unabhängig von der Entnahme der Ladungen Ladungen werden nicht erzeugt sondern recycled Wenn + Ladung am + Pol, dann hat sie gespeicherte elektrische Energie W el = q.u Bei Bewegung durch den Draht wird Energie aufgebraucht (z.b. Glühbirne) am Pol wird der Ladung wieder Energie zugeführt und am + Pol abgegeben. + + Energie Spannungsquelle Energielieferant: Chemische E. Zinkbecher zersetzt sich Mechanische Arbeit (Dynamo Fahrrad) Energie des Sonnenlichts (Sonnenzelle)

3 Analogie: Wasserkreislauf mit Pumpe Wasserreservoir mit hoher potentieller Energie ( + Pol) Fließendes Wasser (Ladungen) Pumpe hebt Wasser auf höhere potentielle Energie (Ladungen erhalten höheres Potential) Wasserreservoir mit niedriger potetieller Energie (- Pol)

4 Spannungsquelle hat Überschuß an + ( ) Ladungen am + ( )Pol + ( ) Ladungen fließen vom + ( ) Pol zum (+) Pol Abb 15.1 Biologische Physik Fließende elektrische Ladungen: elektrischer Strom Elektrische Stromstärke: Ladungen die pro Zeitienheit durch eine gedachte Fläche des Leiters fließen I

5 Geräte, die Strom messen: Amperemeter, Galvanometer 1C ist die Ladung, die bei einen Strom von 1A in 1s fliesst Stromstärke abhängig von der Potentialdifferenz (Spannung) und der leitenden Verbindung (Material, Dicke, Länge) Beispiel: Fahrradscheinwerfer: 6V, 400 ma R=???

6 Widerstand eines Drahtes abhängig von: Länge und Querschnitt (geometrische Dimensionen) Stoff (Material) ρ ist temperaturabhängig, ρ(θ) = ρ(θ 0 )[1+α(Θ-Θ 0 )] Θ.. Temperatur θ 0.. Referenztemperatur (z.b. 20 C) α. Temperaturkoeffizient (0.004 K -1 für Wolfram) α positiv, ---> Widerstand steigt mit der Temperatur Mehr Reibung der Elektronen im Kristallgitter wegen Schwingungen α negativ bei Elektrolyten, Halbleitern

7 Beispiel 15 Ω bei 2420 C. Welcher Widerstand bei 20 C?? Metallische Leiter Halbleiter Isolatoren Elektrolyte Stromdurchflossener Draht ist keine Äquipotentialfläche!!!

8 9V 0V 6V 3V Energie der Ladungen zur Überwindung der Reibung, Potential wird aufgebraucht. Äquipotentiallinien normal zum Draht Feldsträke in Richtung des Drahtes, gibt Kraft zur Überwindung der Reibung Geschwindigkeit der Ladungen im Draht??? Plausibel: große Stromstärke ---> schneller mehr Elektronen vorhanden --> langsamer Über Definition der Stromstärke ermittelbar:

9 Zeit t, Ladungsmenge I. t fliesst. In t haben sich die Ladungen mit Geschwindigkeit v um v. t weiterbewegt. Alle Ladungen im Zylinder mit Drahtquerschnitt A und Höhe h = v. t, d.h. Volumen A.v. t müssen I. t ergeben. Zahl der Elektronen im Zylinder: Falls pro m 3 n Elektronen dann ist N = n.volumen = n.a.v. t Gleichsetzen von und ergibt

10 Ermittlung von n (Elektronen pro m 3 ) Leiter sei Metall, frei bewegliche Elektronen, pro Metallatom ein Elektron (bei guten Leitern) Anzahl der Elektronen pro kmol??? N L Masse eines kmol Cu (Atomare Masse u) Volumen eines kmol n = Elektronen pro kmol / Volumen pro kmol Annahme: I = 5 A, A = 1.5 mm 2 v ist sehr gering Trotzdem schneller Beginn des Stromflusses (Elektrisches Feld breitet sich Lichtgeschwindigkeit aus)

11 Abb 15.2 Biologische Physik Strom von 6V/300Ω=20mA fließt durch den Widerstand. An den beiden Enden des Widerstandes ist eine Spannungsdifferenz von 6 V = 20 ma. 300 Ω. Falls Spannungsquelle nicht bekannt ist, sondern nur Strom von 20 ma bei Widerstand von 300Ω ist selbstverständlich die Spannung auch 6 V Wenn durch Widerstand Strom I fließt fällt Spannung U = R. I ab

12 Kirchhoff sche Regeln (Experimentell gefunden) Verzweigungspunkt (Knotenpunkt): Summe der zufließenden Ströme = Summe der abfließenden Ströme Falls zufließende Strome positiv abfließende Ströme negativ: --->Summe der Ströme = Null: Σ I i =0 Geschlossener Stromkreis: Ladung kann durch den Kreis fließen und gelangt wieder zum Anfangspunkt Verfolge den Weg einer Ladung Abb 15.4 Biologische Physik Abb 15.4 Biologische Physik In Spannungsquelle U 1 gewinnt die Ladung Potential, Spannungsabfall in I 1.R 1 in R 1, I 2.R 2 in R 2, Gewinn U 2, Abfall I 3.R 3. Dann Kreis geschlossen. Summe der Spannungsabfälle muß gleich dem Gewinn sein,

13 Verallgemeinerung: In jedem geschlossenen Stromkreis ist die Summe der Spannungen der Spannungsquellen gleich der Summe der Spannungsabfälle: ΣU i = ΣR i.i i Falls Spannung der Quellen positiv, Abfälle negativ: ΣU i =0 Serienschaltung von Widerständen: Kombination verhält sich wie ein Widerstand Es ist der Gesamtwiderstand R = R 1 +R 2 +R 3 Abb 15.5 Biologische Physik

14 Parallelschaltung von Widerständen Abb 15.5 Biologische Physik Leitwert einer Parallelschaltung von Widerständen ist die Summe der Leitwerte der Widerstände.

15 Leistung des elektrischen Stromes Ladung Q fließt durch einen Widerstand, verliert dabei an potentieller Energie E = Q.U daher P = I. U elektrische Leistung [P] = 1V. 1A = 1W Elektrische Energie kann umgewandelt werden in Wärme mechanische Energie chemische Energie Licht Umwandlung sehr leicht möglich

16 Flüssigkeiten: Flüssige Metalle und Salzschmelzen --> gute Leiter Kristalline Salze und reines Wasser ---> gut isolierend Salzlösungen, verdünnte Säuren sind gute Leiter Beim Auflösen ---> leicht bewegliche Ladungen Elektrolyt: enthält bewegliche Ionen spezifischer Widerstand größer als bei Metallen Ionen größer als Elektronen ---> mehr Reibung mit zunehmender Temperatur geringere Zähigkeit -----> Temperaturkoeffizient negativ Reines Wasser hat geringe Ionenkonzentration (H +, OH - ) Bei Zugabe von NaCl bilden sich Na+ und Cl - Ionen Bei Stromleitung bewegen sich beide Ionenarten

17 + Ionen zur negativen Elektrode (KATHODE) Ionen zur positiven Elektrode (ANODE) Neutralisierung der Ionen an den Elektroden es entstehen ungeladene Atome (Moleküle), eventuell chemische Reaktionen mit dem Wasser Aus einer Salzlösung können reine Stoffe abgeschieden werden Abb 14.6 Biologische Physik Z.B. aus CuSO 4 wird an der Kathode metallisches Kupfer abgeschieden Um ein Ion mit der Ladungszahl z abzuscheiden muß die Ladung z.e neutralisiert werden. Für 1 kmol wird Q = z. e. L = z. F benötigt. F = e. L = As. kmol Faraday Konstante

18 Beispiel: Wie lange muß ein Strom von 5A fliessen, um 1 kg. Kupfer aus CuSO 4 Lösung abzuscheiden? Falls Spannung 3 V, welche elektrische Energie?? Preis?? Metall wird in einen Elektrolyten getaucht, z.b. Zn in H 2 SO 4 Zn ++ Metall löst sich auf, Zn -----> Zn ++ Metallatome haben Lösungstension je nach Metall verschieden stark Bei Lösung bleiben negative Ladungen über ----> Zinkstab negativ geladen. ----> Weitere Lösung wird erschwert ---->Schließlich Gleichgewicht Potentialsprung hängt von Stärke der Lösungtension ab

19 Nun zwei verschiedene Metalle in Elektrolyt Zn ++ Cu ++ Zn Cu größe Affinität der Ionen kleine Affinität stark negativ schwach negativ ---> Cu positiv, Zn negativ ----> Spannungsquelle Bei Stromfluß: Außen positive Ladungen von + nach Dadurch Zn Metall weniger negativ, mehr Zn ++ in Lösung Zn++ wandern zur Cu Elektrode Stromfluß endet, wenn Zn Elektrode aufgebraucht oder Cu mit Zn überzogen

20 Frosschenkelversuch von Galvani: Elektrolyt: Körperflüssigkeit Elektroden: Cu Platte, Fe Haken fließender Strom ruft Aktionspotential hervor Abb 146 Bergmann Schäfer Standard Batterie: + Pol Kohlestab Pol Zinkbecher Elektrolyt: Gelatinisiert Wenn aufgebraucht --> Sondermüll Akkumulator: Speichert elektrische Energie beim Aufladen, gibt sie beim Entladen ab. Bleiakkumulator (KFZ): Bleielektroden in H2SO4, 2V. Ungeladen: Elektroden mit Bleisulfat überzogen geladen: Blei bzw. Bleioxid Darf nicht ungeladen stehen

21 NiCd (NiFe) Akkumulator: Ni (+ Pol) und Cd in KOH, 1.2 V keine Schädigung wenn längere Zeit ungeladen NiMH Akkumulator. Metallhydrid ist negative Elektrode, 1.2 V Lithiumionen Akkumulator: 3.6V Lebensdauer Lade - Entaldezyklen Energiewirkungsgrad 74% bei Blei, 60% bei NiCd Speicherbare Ladung durch Ladekapazität angegebn: Während der Entladung abgegebene Ladungsmenge, zb. 50Ah Energie der Batterie: Metall geht in Lösung. Chemische Energie ---> elektrische Energie Brennstoffzelle:Wandelt die Energie eines Brennstoffs (H2, Alkohol) in elektrische Energie um. Umkehrung des Wasserzersetzung

22 + O 2 H 2 + Elektrolyt O 2 H 2 poröse Elektroden Elektrolyse Brennstoffzelle Es bildet sich H 2 O unter Abgabe von El. Energie Saure bzw. Alkalische Brennstoffzellen, η = 50-60%, C Porenstruktur sehr wichtig, Alkalisch: Kein CO 2

23 Ionenaustauschermembran-BZ: Elektrolyt ist fest C, η = 50-60% Phosphorsäure BZ ( C) η = % Carbonatschmelze BZ ( C) η = % Festelektrolyt ( C) η = % Leistungen bis mehrere MW realisiert. MAN Bavaria 1 Bus, fährt auf städtischer Busroute in Erlangen and Nürnberg seit 2000: Verwendet 120 kw PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell by Siemens, 1248 l komprimierter H2, 80km/h, fährt 250 km mit einer Füllung.

24 Strom in Gasen und Vakuum Beide sind Isolatoren, nur wenn Ladungen erzeugt werden fließt Strom VAKUUM: Glühemission von Elektronen (Elektronenmikroskop, Röntgenröhre, Bildröhre) GASE: Unselbstständige Entladung (=Stromfluß): Ladungen werden durch einen Prozeß gebildet, der nicht in unmittelbaren Zusammenhang mit der Stromleitung steht: Glühemission Ionisierung durch radioaktive Strahlen UV Licht Höhenstrahlung Röntgenstrahlung tritt in geringem Ausmaß immer auf.

25 Selbstständige Entladung: Stromleitung erzeugt selbst die Ladungen durch Stoßionisation: Wenn einige Ladungen vorhanden sind (immer). Diese werden im elektrischen Feld beschleunigt. Stoßen mit ungeladenen Molekülen zusammen. Wenn genügend Energie: Molekül wird in e und positives Ion gespalten Die alte und die neu gebildeten Ladungen ionisieren weiter ----> lawinenartiges Ansteigen der LAdungen Je mehr Strom fließt dest mehr neue Ladungen werden gebildet, desto geringer der Widerstand und daher der Spannungsabfall. U Gasentladung hat negativen Widerstand Normaler Widerstand I

26 Minimale Feldstärke nötig für unselbstständige Entladung ----> Durchschlagfeldstärke abhängig von Druck (Abstand der Moleküle), Sorte der Moleküle (Ionisierungsenergie) in Luft 3 MV/m

27

28