Begriffe zur Elektrik und Elektrochemie

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1 Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung Begriffe zur Elektrik und Elektrochemie Akkumulator Atom Atomkern Batterie Ein Akkumulator ist eine Energiequelle, die wie eine Batterie Gleichstrom liefert. Im Gegensatz zur Batterie können bei einem Akkumulator die chemischen Reaktionen, die beim Entladen stattfinden, durch Anlegen einer äußeren Spannung (Ladegerät) wieder umgekehrt werden. Atome sind die Bausteine der Materie. Jedes Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen, im Vergleich zum Kern sehr leichten Atomhülle. Es gibt über 100 chemische Elemente, deren Atome sich im Aufbau unterscheiden. Atome haben etwa einen Radius von einem Zehnmillionstel Millimeter, also m. Der Atomkern ist noch viel kleiner: Sein Radius beträgt nur etwa ein Hunderttausendstel des Atomradius, also m. Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, dann wäre der Kern so groß wie ein Stecknadelkopf. Obwohl der Atomkern so klein ist, macht seine Masse mehr als 99,9 % der Atommasse aus. Der Atomkern ist der zentrale, positiv geladene Teil des Atoms, der fast die gesamte Masse des Atoms trägt. Er besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Eine Batterie ist eine Energiequelle, die Gleichstrom liefert. Pluspol: Hier herrscht Elektronenmangel. Er zieht Elektronen aus dem Leiter. Minuspol: Hier herrscht Elektronenüberschuss. Er gibt Elektronen an den Leiter ab. Im Innern sorgen chemische Reaktionen dafür, dass am Pluspol Elektronenmangel und am Minuspol Elektronenüberschuss aufrechterhalten werden. In einer Batterie läuft eine Redoxreaktion ab, bei der die Teilreaktionen räumlich voneinander getrennt sind. Am Minuspol findet die Oxidation/Elektronenabgabe statt: z. B.: Ox.: Zn à Zn e - Am Pluspol findet die Reduktion statt: z. B.: Red.: Cu e - à Cu Damit lautet der Gesamtprozess in diesem Fall: Redox: Cu 2+ + Zn à Cu + Zn 2+ Ph 9 C NTG8 C NTG9 Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie Seite 1 von 6

2 Funktionsprinzip einer Batterie Minuspol 2e - 2 Pluspol Zn-Stab (Elektrode) Cu-Stab (Elektrode) ZnSO 4 -Lsg. Zn 2e 1 Zn 2+ Cu e Cu CuSO 4 -Lsg. 4 SO 4 2- Energiequelle, auch: Spannungsquelle, Stromquelle, Quelle Elektrode Elektrolyse 1 Zink-Atome geben Elektronen ab und gehen als Zink-Ionen (Zn 2+ ) in Lösung. 2 Elektronen fließen durch den Draht. 3 Kupfer-Ionen (Cu 2+ ) nehmen Elektronen auf und scheiden sich als Kupfer-Atome ab. 4 Zum Ladungsausgleich wandern Ionen durch das Diaphragma. Eine n Energiequelle ist eine Pumpe für Ladungen. An ihrem Minuspol herrscht Elektronenüberschuss, an ihrem Pluspol Elektronenmangel. Typische Energiequellen für Gleichspannungen sind die Batterie und der Akkumulator. Als Elektrode bezeichnet man allgemein das Ende eines Elektronenleiters (Metall oder Graphit), das Elektronen aufnehmen oder abgeben kann. Die Elektrolyse ist die chemische Zerlegung eines Stoffes durch n Strom (Bsp. Salzlösung, Salzschmelze). Aufgrund der Anziehungskräfte wandern nach Anlegen einer Gleichspannungsquelle die Anionen (negativ geladen) zur positiven Elektrode. Dort geben sie Elektronen ab und werden dadurch entladen. Die Kationen (positiv geladen) wandern entsprechend zur negativen Elektrode und werden dort durch Elektronenaufnahme entladen. Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie Seite 2 von 6

3 Prinzip der Elektrolyse einer Salzlösung Pluspol 2 Energiequelle Minuspol Graphit- Elektrode 2e 1 3 I Zn 2+ 2 I 2 ++ ZnI 2 -Lsg. 2e Zn Zink- Elektrode 1 Iodid-Ionen (I ) wandern zum Pluspol und geben Elektronen ab. Hierbei entsteht Iod (I 2 ). 2 Die Energiequelle pumpt die Elektronen vom Pluszum Minuspol. 3 Zink-Ionen (Zn 2+ ) wandern zum Minuspol und nehmen Elektronen auf. Hierbei scheidet sich metallisches Zink ab. Elektronen Elementarladung Galvanisches Element Halbleiter Elektronen sind die Bausteine der Atomhülle. Sie haben im Vergleich zum Atomkern eine sehr kleine Masse und tragen eine negative Elementarladung. In festen Leitern (Metalle, Graphit) ist ein Teil der Elektronen beweglich. Die Elementarladung e ist der kleinste Betrag der Ladung, die ein freies Teilchen tragen kann. Die Ladung jedes Teilchens und jedes Körpers ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung. Ihr Wert ist e = 0, As = 1, As = 1, C. Typische Träger einer Elementarladung sind das Elektron (eine negative Elementarladung) und das Proton (eine positive Elementarladung). Galvanisches Element ist die in der Elektrochemie gebräuchliche Bezeichnung für eine Energiequelle, deren Bauprinzip dem oben beschriebenen Funktionsprinzip einer Batterie entspricht. Jede Batterie besteht aus einem oder mehreren galvanischen Elementen. Halbleiter sind Stoffe, die den n Strom bei Raumtemperatur schlecht leiten. Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit zunehmender Temperatur. In einem Halbleiter sind die Ladungsträger (Elektronen) schwach an die Atomrümpfe gebunden. Erst durch Energiezufuhr (z. B. Wärme, Licht) werden diese Ladungsträger freigesetzt. Im Periodensystem stehen Halbleiter als Halbmetalle zwischen den Metallen und den Nichtmetallen (Bsp.: Silicium, Germanium) Ph 10 Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie Seite 3 von 6

4 Ion Ladung Q Ladungsträger Leiter Nichtleiter Spannung U Spannungsquelle, Stromquelle Ionen sind elektrisch geladene Teilchen, die aus Atomen oder Molekülen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen entstanden sind. Man unterscheidet zwischen Kationen und Anionen. Kationen sind positiv geladene Teilchen, da sie über weniger Elektronen als Protonen verfügen. Anionen sind negativ geladene Teilchen, da sie über mehr Elektronen als Protonen verfügen. Es ist eine Grundeigenschaft von Materie, dass Körper und Teilchen elektrisch geladen sein können. Es treten zwei Ladungsarten auf (positiv und negativ), die sich gegenseitig neutralisieren. Zwischen geladenen Körpern wirken Kräfte: (gleichnamig geladen: Abstoßung, ungleichnamig geladen: Anziehung). Maßeinheit: 1 As (Amperesekunde) = 1 C (Coulomb) Geladene Teilchen, die in Leitern frei beweglich sind: in Metallen und Graphit: Elektronen in Lösungen und Schmelzen von Salzen: Ionen Leiter sind allgemein Stoffe, durch die r Strom leicht fließen kann, d. h. eine kleine Spannung genügt, um eine nennenswerte Stromstärke hervorzurufen. Typische Leiter sind Metalle und Graphit, in denen Elektronen als leicht bewegliche Ladungsträger dienen. In Lösungen und Schmelzen von Salzen fungieren Ionen als bewegliche Ladungsträger. Nichtleiter (Isolatoren) sind allgemein Stoffe, durch die r Strom nicht oder nur bei sehr großer Spannung fließen kann, da in ihnen kaum bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Typische Nichtleiter sind Porzellan, Glas, viele Kunststoffe. Die Spannung zwischen zwei Anschlüssen (z. B. den Polen einer n Energiequelle) ist die Ursache für den Stromfluss durch den angeschlossenen Verbraucher. Sie ist ein Maß für die Fähigkeit einer n Energiequelle, Ladungen durch den Stromkreis zu pumpen". Maßeinheit: 1 V (Volt) Die Spannung gibt an, wie viel Energie pro transportierter Ladung freigesetzt wird. Eine Ladung, die sich auf dem einen Pol einer n Energiequelle befindet, hat potenzielle Energie in Bezug auf den anderen Pol. Der n Spannung entspricht im Wassermodell der Druck, den die Wasserpumpe aufbaut. siehe Energiequelle Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie Seite 4 von 6

5 Stromfluss Elektrischer Strom fließt, wenn sich Ladungen bewegen. Minuspol Pluspol Stromkreis Atomrumpf Elektron Bei Stromfluss in Metallen bewegen sich Elektronen vom Minuspol der n Energiequelle durch das Kabel und den Verbraucher (Glühlampe, Motor) zum Pluspol. Am Minuspol der n Energiequelle herrscht Elektronenüberschuss, am Pluspol Elektronenmangel. In Salzschmelzen oder Lösungen bewegen sich entsprechend Ionen. Bei Stromfluss entsteht immer ein Magnetfeld. Elektrischer Strom kann bewirken, dass sich ein Leiter erwärmt oder dass, z. B. in einer Flüssigkeit, chemische Veränderungen stattfinden. Ein Stromkreis besteht aus r Energiequelle, Verbraucher und Verbindungskabeln: Energiequelle Glühlampe als Verbraucher Bewegung der Elektronen: Vom Minuspol über den Verbraucher zum Pluspol. Weiteres Beispiel eines Stromkreises: U Spannungsmessgerät + I Energiequelle Stromstärkemessgerät Schalter Widerstand Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie Seite 5 von 6

6 Stromrichtung Stromstärke I Widerstand R Es wurde festgelegt, dass die (technische) Stromrichtung vom Pluspol über den Verbraucher zum Minuspol verläuft, also entgegengesetzt zur Elektronenbewegung. Die Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Zeiteinheit durch einen Leiter transportiert wird. Maßeinheit: 1 A (Ampere) Der n Stromstärke entspricht im Wassermodell der Durchfluss (in Litern pro Sekunde) in einem Rohr. Der Widerstand eines Verbrauchers gibt an, wie sehr der Verbraucher den Stromfluss hemmt. Maßeinheit: 1 Ω (Ohm) = 1 A V. Der Widerstand ist der Quotient aus Spannung U und Stromstärke I. In vielen Fällen sind U und I zueinander direkt proportional, d. h., der Widerstand ist konstant. Ph 9 Glossar zum Themenbereich Elektrik und Elektrochemie Seite 6 von 6