Repetitionen Chemische Spannungsquellen

(1)

Kapitel 6

Repetitionen Chemische

Spannungsquellen

Verfasser:

Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe:

März 2009

(2)

06. Februar 2017 www.ibn.ch

Version 2 http://www.chemie-

interaktiv.net/html_flash/ff_zink_kohle_batterie.swf Animation der chemischen Reaktion des Kohle-Zink Elements

(3)

1

RE 1.1461

Belastete Gleichspannungsquelle

Ein 12V -Akku hat einen Innenwiderstand von 70mΩ. Berechnen Sie die Klemmenspannung bei 22A!

V 46 , 10

(4)

Version 2 2

RE 1.1462

Bei einer 4,5V -Batterie sinkt die Spannung an den Klemmen bei 0,6A Be- lastung auf 4,3V .

Bestimmen Sie den Innenwiderstand!

Ω 3333 , 0

(5)

3

RE 1.1451

Kurzschluss Gleichspannungsquelle

Eine 4,5V -Batterie (U₀ =4,5V) hat 0,71Ω Innenwiderstand.

Wie gross ist der Kurzschlussstrom bei Klemmenkurzschluss?

A 338 , 6

Zink-Kohle-Batterie (3R12/4.5V) Carbon Zinc Battery (3R12/4.5V)

Quecksilber und Cadmium-frei Besserer Schutz gegen Leckagen

(6)

Version 2 4

RE 1.1452

Kurzschluss Gleichspannungsquelle Berechnen Sie den Innenwiderstand der Zelle:

I

RM

U0

+ -

I

RM

U0

A

V U₀ =1,58

A I =4,2

Ω

=0,16 RM

Ω 2162 , 0

1,5V

(7)

5

RE 1.1463

Berechnen Sie den Strom im LB-Mikrofonkreis nach dem schliessen des Gabelkontaktes „G“! Momentanwert des Miktofonwiderstandes 30Ω (R_i =0,66Ω, Innenwiderstand der Zelle).

I

RS

U0

RM

+ -

I

RS

U0

G

RM

LB Lokal-Batterie

V U₀ =1,5

Ω

=30 RM

Ω

=0,6 RS

mA 98 , 47

(8)

Version 2 6

RE 1.1464

Eine Batterie mit 24V Leerlaufspannung und einem konstanten Innenwider- stand R_i =1,2Ω wird

a) mit 1,2A und b) mit 3A belastet.

Bestimmen Sie den Klemmenspannungsunterschied, wenn mit den beiden angegebenen Belastungen gerechnet wird!

V 16 , 2

(9)

7

RE 1.1465

Wieviel Ω muss der Widerstrand R aufweisen, damit in den beiden Batte- rien gleich starke Ströme fliessen?

II

R_L R_i1 U₀₁ U₀₂ U_i1 U_i2

UKl1 U_Kl2

+ +

- -

I₂ I1

U_R

R_i2

R U₀₁=12V Ω

=0,02

1

Ri

V U₀₂ =18

Ω

=0,03

2

Ri

A I =16

Ω 74 , 0

(10)

Version 2 8

RE 1.1453

Kurzschluss

I

Ri

U0

Ui

UKl

+ -

I

Ri

U0

Ui

UKl

V U₀ =4,5

Ω

=0,32

Ri pro Zelle m mm / 0175 ,

0 Ω ²

= ρ

Bestimmen Sie den Kurzschlussstrom:

a) bei Klemmenkurzschluss und

b) wenn die Klemmen mit einem Cu-Band von 0,12x6mm und 600mm massgebender Länge kurzgeschlossen werden!

688A , 4

A 617 , 4

(11)

9

RE 1.1466

Belastete Spannungsquelle

Wie gross ist die Klemmenspannung der Batterie:

a) bei offenem Schalter und b) bei geschlossenem Schalter?

V

U₀ =4,5 , R_i =0,8Ω pro Zelle, R=12Ω, Kabellänge l=16m, Ø Cu-Draht mm

6 ,

0 , ρ =0,0175Ωmm²/m

I

Ri

U0

Ui

U

1

U

₂

R

L

R

L

R

+ - I

Ri

U0

Ui

U

1

U

₂

R

L

R

L

S

5V , 4

V 841 , 3

(12)

Version 2 10

RE 1.1454

Kurzschluss 12V-Batterie

Eine 12V -Batterie hat einen Innenwiderstand von 18,4mΩ. Es ist der Kurz- schlussstrom zu berechnen:

a) bei Klemmenkurzschluss und

b) beim Kurzschluss über ein total 3,6m langes Cu-Kabel von 1,5mm² Querschnitt (ρ =0,0175Ωmm²/m)!

I

Ri

U0

Ui

U1 +

- I

Ri

U0

Ui

U1

I

Ri

U0

Ui

U1 U₂

RL

RL +

- I

Ri

U0

Ui

U1 U₂

RL

2A , 652

A 2 , 117

(13)

11

RE 1.1467

Lastfall Batterie

Bestimmen Sie bei geschlossenem Schalter S:

a) die Leerlaufspannung,

b) die Klemmenspannung der Batterie und c) die Verbraucherspannung!

I

Ri

U0

Ui

U1 U₂

RL

R

+ - I

Ri

U0

Ui

U1 U₂

RL

RL S

Ω

=0,7 Ri

Ω

=0,15 RL

A I =1,8

Ω

=19 R

36V 74V , 34

V 24 , 34

(14)

Version 2 12

RE 1.1455

Kurzschluss Fotoelement Ein Fotoelement hat:

a) bei 1000lx Beleuchtungsstärke 410mV Leerlaufspannung und einen Kurzschlusstrom von 1000µA und

b) bei 500lx Beleuchtungsstärke 390mV Leerlaufspannung und 500µA Kurzschlussstrom.

Berechnen Sie je den Innenwiderstand!

I

Ri

U0

Ui

UKl

I

Ri

U0

Ui

UKl

+ -

A K

410Ω 780Ω

Photozelle (Fotozelle)

Flammwächter in Ölbrennern

Die Kathode (K) besteht aus einem möglichst unedlen Metall (z. B. Caesium oder Radium mit besonders geringer Austrittsarbeit), aus

dem durch Licht Elektronen freigesetzt werden können, falls die Energie des Lichtes ausreichend groß ist (Äußerer Photoelektrischer Effekt). Aus diesem Grund heißt sie auch Photokathode.

Die Anode (A)

ist meist ein Drahtring, der nicht vom Licht getroffen werden soll. Die Anode soll die aus der Kathode ausgelösten Elektronen aufsammeln und wird deshalb meist positiv

aufgeladen.

Abgrenzung aus Halbleitern aufgebaute Photoemp-

fänger zählen zu den Halbleiterdetek- toren, es sind z.B. Photodioden, Photowiderstände oder Solarzellen –

diese werden nicht als Photozellen bezeichnet.

Infrarot Photo LEDs Sender und Empfänger

Empfänger (dunkel) Sender (klar)

(15)

13

RE 1.1468

Thermoelement

Das Chromnickel-Nickel-Thermoelement für die Temperaturmessung eines Härteofens hat folgende Daten:

mV

U₀'=4,04 pro 100°C Ω

= m R_i 422 .

Welchen Widerstand muss der äussere Messkreis aufweisen, wenn bei einer Temperatur von 1100°C ein Strom von 40mA fliessen soll?

I

Ri

'0

U Ui

UKl

ϑ

R

I

Ri

'0

U Ui

UKl +

- K

gr ws

weiss grün

Ω m 689

Thermoelement Thermoelemente wandeln eine Temperaturdifferenz durch den Seebeck-Effekt in eine elektrische

Spannung um.

zur Wahl des geeigneten Temperatur- fühlers müssen die Anforderungen an

den - Temperaturbereich,

- die Antwortzeit, - Genauigkeit, - Zuverlässigkeit, - Robustheit und - die Lebensdauer des Temperaturfühlers festgelegt

werden.

Ebenso die Umgebungsbedingungen mit den chemischen und physikali- schen Eigenschaften des zu messen-

den Mediums, die Platzierung sowie die verwendete Meßmethode.

EN 60 584 Tabelle

Typ Thermo

Element

Maximal- Temp.

J Fe-CuNi 750

T Cu-CuNi 350

K NiCr-Ni 1200

E NiCr-CuNi 900

N NiCrSi-NiSi 1200

S Pt10Rh-Pt 1600

R Pt13Rh-Pt 1600

B ^Pt30Rh-_Pt6Rh 1700

Seebeck Effekt Die Spannung entsteht durch Ther- modiffusionsströme in einem Material.

Anders als zur Messung reicht für die Erklärung die Betrachtung nur eines

(16)

Version 2 14

RE 1.1456

Solarpanel

Ein Solarpanel wird bei 60°C und einer Sonnenleistung von 1000W/m²

betrieben. An diesem Arbeitspunkt hat das Panel eine Leerlaufspannung von 19V .

a) Wie gross ist der maximele Kurzschlusstrom des vorhanden Panels?

b) Wie gross ist der Innenwiderstand im P_MPP? c) Wie gross ist der Innenwiderstand im Kurzschluss?

d) Bestimmen Sie in 2,5V Schritten, in der vorhandenen Grafik, die maximale Leistung des vorhandenen Solarpanels!

I

Ri

'0

U Ui

UKl

R

I

Ri

'0

U Ui

UKl +

- +

-

+

-

SP

V UOC=21,6

A ISC=2,99

V UMPP=17,9

A IMPP=3,2

Spannung-Strom-Diagramm

P[W[W]]

Serie- und Parallelschaltung

SP Solar-Panel

UOC Leerlaufspannung

ISC Kurzschlussstrom MPP Maximaler Power Point

UMPP Spannung am MPP

IMPP Strom am MPP

PMPP Maximale Leistung

(17)

15

RE 1.1469

Serieschaltung von Batterien

Für die gegebene Schaltung sind zu bestimmen:

a) die Stromstärke,

b) die Klemmenspannung der Batterie 1, c) die Klemmenspannung der Batterie 2 d) die Klemmenspannung des Verbrauchers!

i1

R

U01 1

Ui

R

i2

R

U02 2

Ui

I ⁱ¹

R

U01 1

Ui

+ - ²ⁱR

U02 2

Ui

I + - + - + -

V U₀₁=6

Ω

=2,4

1

Ri

V U₀₂=9

Ω

=4,5

2

Ri

Ω

=32 R

6mA , 385

V 075 , 5

V 265 , 7

V 34 , 12

(18)

Version 2 16

RE 1.1470

Solargenerator in Skihütte

Eine Skihütte wird für Beleuchtungdzwecke mit einem Solargenerator mit folgenden Daten ausgerüstet:

I

Ri

'0

U Ui

USP

I

R Ri B

I

Ri

'0

U Ui

USP +

- +

-

+

-

SP

I

+ - + -

Solarregler

Solar- Generator

Ri B

V U_OC=21,2

A I_SC=2,1

V U_MPP=16,4

A I_MPP=2,01

Berechnen Sie:

a) Wie gross ist der Innenwiderstand im Kurzschluss?

b) Wie gross ist der Innenwiderstand im P_MPP?

c) Bestimmen Sie die maximale Leistung des vorhandenen Solarpanels!

d) Welchen Eingangswiderstand hat die Pufferbatterie?

Ω 09 , 10

Ω 388 , 2

W 96 , 32

Ω 159 , 8

UOC Leerlaufspannung

ISC Kurzschlussstrom MPP Maximaler Power Point

UMPP Spannung am MPP

IMPP Strom am MPP

PMPP Maximale Leistung

75Ah

(19)

17

RE 1.1471

4,5V-Batterie

Eine 4,5V -Leclanchebatterie hat 0,72Ω Innenwiderstand und 5V Leer- laufspannung.

Berechnen Sie:

a) den Aussenwiderstand, b) die Stromstärke und c) die Leistungsabgabe,

wenn die Klemmenspannung 4,5V, 4,2V und 4V beträgt!

I

Ri

U0

Ui

UK l

R

I

Ri

U0

Ui

UK l +

-

Batterie

+ - + -

Ω 48 , 6

A 6944 , 0

W 125 , 3

Ω 78 , 3

111A , 1

W 667 , 4

Ω 88 , 2

389A , 1

W 556 , 5

(20)

Version 2 18

RE 1.1472

Parallelschaltung von Batterien Berechnen Sie:

a) den Strom I₁ in der Batterie 1, b) den Strom I₂ in der Batterie 2,

c) die Klemmenspannung der Batterie 1 und d) die Klemmenspannung der Batterie 2!

I1

1

Ri

U01 1

Ui

UKl

R I1

2

Ri

U02 2

Ui

I I1

1

Ri

U01 1

Ui

UKl +

-

Batterie 1

+ - + -

I1

2

Ri

U02 2

Ui

Batterie 2

+ - + -

I

Ω

=0,012

1

Ri

V U₀₁=24

Ω

=0,008

2

Ri

V U₀₂ =24

A I =20

A 8

A 12

V 904 , 23

(21)

19

RE 1.1473

Trockenbatterie

Eine 12V -Trockenbatterie mit 8Ω Innenwiderstand soll an einem Verbrau- cher das Maximum an Leistung abgeben.

Bestimmen Sie in Bezug auf den Verbraucher:

a) den Widerstand, b) die Klemmenspannung, c) die Stromstärke, d) die Leistung und

e) den Wirkungsgrad der ganzen Schaltung!

Ri

U0

Ui

U

Kl

R I

Ri

U0

Ui

U

Kl +

-

Batterie

+ - + -

I

Ω 8

V 6

mA 750

W 5 , 4

% 50

(22)

Version 2 20

RE 1.1474

Photodioden

Ein Fotodiode gibt bei 392mV Spannung 53µA ab.

Wie gross ist:

a) der Lastwiderstand und b) die Nutzleistung!

I

Ri

U0

Ui

UKl

R

I

Ri

U0

Ui

UKl

R

I

Ri

U0

Ui

UKl +

-

I

Ri

U0

Ui

UKl +

-

Ω k 396 , 7

µW 78 , 20

Selen- Fotoelement Eine Selenzelle, auch als Selen- Photoelement bezeichnet, ist ein photoelektrisches Element, das bei Beleuchtung eine elektrische Span- nung erzeugt. Sie waren die ersten Photoelemente. Sie werden heute nicht mehr verwendet und sind in den

Anwendungen weitgehend durch Photodioden abgelöst.

Fotodiode

Eine Photodiode ist eine Halbleiter- Diode, die sichtbares Licht – in manchen Ausführungen auch IR-, UV- oder Röntgenstrahlen – an einem p-n- Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen

elektrischen Strom umwandelt.

Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzu- setzen oder um mit Licht übertragene

Informationen zu empfangen.

Photodioden oben eine Germanium-Photodiode,

darunter Silizium-Photodioden

(23)

21

RE 1.1475

Solarpanel

Von einem Solarpanel ist bekannt:

V U₀ =11,6

A I_K =2,1

W

P=18,3 bei 9,1V Berechnen Sie:

a) den Innenwiderstand bei Kurzschluss, b) den Innenwiderstand bei 18,3W Belastung, c) den Lastwiderstand,

d) den Spannungsverbrauch im Panel, e) die Verlustleistung des Panels und f) die Stromstärke!

I

Ri

'0

U Ui

UKl

R

I

Ri

'0

U Ui

UKl

+ - +

-

+

-

SP

Ω 524 , 5

Ω 243 , 1

Ω 525 , 4

5V , 2

W 027 , 5

A 011 , 2

(24)

Version 2 22

RE 1.1476

Photoelement

Ein Fotoelement hat bei 1000lx Beleuchtungsstärke eine Leerlaufspannung von 410mV und einen Kurzschlussstrom von 50µA. Es speist einen Lastwi- derstand von 8,2kΩ.

Berechnen Sie:

a) die Stromstärke des Lastwiderstandes, b) die Klemmenspannung des Lastwiderstande!

Die Beleuchtungsstärke steigt auf 1600lx. Die hat eine Leerlaufspannung von 420mV und einen Kuruschlussstrom von 80µA zur Folge.

Wie gross ist jetzt:

c) die Stromstärke und

d) die Lastwiderstandsspannung?

I

Ri

U0

Ui

UKl

R

I

Ri

U0

Ui

UKl +

-

Foto- Element

µA 25

mV 205

µA 23 , 31

1mV , 256

Fotodiode

Eine Photodiode oder auch Fotodiode ist eine Halbleiter-Diode, die sichtbares Licht – in manchen Ausführungen auch IR-, UV- oder Röntgenstrahlen – an einem p-n-Übergang oder pin- Übergang durch den inneren Photoef-

fekt in einen elektrischen Strom umwandelt.

Fototransistor Ein Foto- bzw. Phototransistor ist ein

Bipolartransistor mit pnp- oder npn- Schichtenfolge, dessen pn-Übergang der Basis-Kollektor-Sperrschicht einer externen Lichtquelle zugänglich ist. Er ähnelt somit einer Photodiode mit angeschlossenem Verstärkertransis- tor. Die Ansteuerung des Transistors wird mittels des über den Lichteinfall erzeugten Sperrstromes durch diese

Sperrschicht realisiert.

Fotowiderstand Ein Fotowiderstand (englisch Light

Dependent Resistor, LDR) ist ein lichtabhängiger Widerstand aus einer

amorphen Halbleiter-Schicht.

(25)

23 Serieschaltung von Batterien

Geben Sie die Spannung zwichen den Klemmen a) 1 und 2,

b) 2 und 3 sowie c) 1 und 3 an!

1

Ri

U01 1

Ui

2

Ri

U02 2

Ui

1

Ri

U01 1

Ui

Batterie 1

+ -

1

2 3

Batterie 2

2

Ri

U02 2

Ui

+ -

+ - U₀₁=24V

V U₀₂ =6

24V 6V 30V

(26)

Version 2 24

RE 1.1481

Serieschaltung von Batterien

Geben Sie die Spannung zwichen den Klemmen a) 1 und 2,

b) 1 und 3 sowie c) 2 und 3 an!

1

Ri

E1 1

Ui

2

Ri

E2 2

Ui

1

Ri

E1 1

Ui

Batterie 1

+ -

1

2 3

Batterie 2

2

Ri

E2 2

Ui

+ -

+ - E₁=24V

V E₂ =6

24V 30V 6V

Prinzip Kohle-Zink-Batterie

Bei der Entladung der Batterie werden dem Zink Elektronen entzogen.

Dadurch entstehen positiv geladene Zinkionen (Kationen), welche in den negativ geladenen Elektrolyten übergehen. Der Zinkbecher wird

dadurch zerstört.

(27)

25

RE 1.1431

Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen

Wie gross muss die Kapazität einer Speisebatterie sein, wenn man 24 Stunden lang einen Strom von 1,84A entnehmen will?

Ah 16 , 44

Metallkappe + Kohlestab (Kathode) Zinkbecher (Anode) Mangan(IV)oxid Elektrolyt (Ammoniumchlorid) Metallboden -

Braunstein Mangan(IV)-oxid, auch Mangandioxid oder Braunstein, ist ein Oxid des Mangans mit der Summenformel MnO2. Mangan liegt hier in der Oxidationsstufe +4 vor. Aufgrund seines Aussehens (dunkelbraun, glänzt seidig, körnig bis erdig) wird es auch Magnesia nigra, schwarzes Magnesia, oder etwas unpräzise als Braunstein bezeichnet. Braunstein ist jedoch eine Gruppe von Mangan- Mineralien, deren Hauptbestandteil Mangandioxid ist.

Geschichte Mangan(IV)-oxid wurde früher unter Handwerkern als „Glasmacherseife“

bezeichnet, da es durch Eisen(III)- silikate verfärbte Glasschmelzen entfärben konnte. Schon in den Gläsern der alten Ägypter und Römer findet man etwa 2 % Manganoxide.

Wahrscheinlich wurde schon zu dieser Zeit Braunstein zum Aufhellen der Gläser benutzt.

Gesundheits- schädlich

(Xn)

Mangan(IV)-oxid ist ein braunschwar- zes Pulver, das in Wasser unlöslich ist. Außerdem findet keine Reaktion mit kalter Schwefel- oder Salpetersäu- re statt.

(28)

Version 2 26

RE 1.1432

Gleichspannungsquelle Kapazität, Laden und Entladen Eine Autobatterie hat 72Ah Kapazität.

Wie lange könnte sie theoretisch den Anlasser bei a) 320A und

b) 800A speisen?

810s . 5 , 13 Min

s 324

. 4 , 5 Min

(29)

27

RE 1.1433

Ein Kleinakkumulator hat 2,95Ah Kapazität. Nach 150 Minuten ist er, bei voller Ladung, entladen.

Wie gross war die Stromstärke A und mAim Mittel?

18A , 1

mA 1180

Unterschied Akku und Batterie In der Umgangsprache hat sich die Einteilung Batterie - nicht wiederaufladbar, Akku - wiederaufladbar

entwickelt.

Primärzellen Nicht wiederaufladbar und häufig als

Batterien bezeichnet .

Mignon-Batterie Sekundärzellen Möglichkeit der Wiederaufladung und

meist als Akkumulatoren bezeichnet.

Mignon-Akku DUDEN: Batterie: 1.

Bedeutung »mit mehreren Geschützen bestückte militärische Grundeinheit.

DUDEN: Batterie: 2.

»aus mehreren zusammengeschalte- ten Elementen bestehende Stromquel-

le«. Es geht auf das lateinische

»battuere« zurück (vgl. Bataillon) - Aus dem Engl. stammt die Lehnbedeu-

tung »große Anzahl von gleichartigen Dingen«. Die Käfighaltung in der Geflügelproduktion wird ja beispiels-

weise auch als "Legebatterie" bezeichnet.

DUDEN: Akkumulator

»Energiespeicher« : Das Wort ist eine Entlehnung des 19. Jh.s aus lat.

accumulator »Anhäufer«, das zu lat.

ac-cumulare »anhäufen« gehört.

Akku bedeutet nur "Anhäufer" und Batterie bedeutet nur "mehrere Zellen

zusammen", die Möglichkeit der Wiederaufladung wird hiermit nicht

bestimmt.

(30)

Version 2 28

RE 1.1434

Welche Elektrizitätsmenge in Ah braucht es um einen Bleiakkumulator von Ah

72 Nennkapazität bei 90% Ladewirkungsgrad voll aufzuladen?

Ah 80

Unterschied Bleiakku Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand

aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefel-

säure besteht.

Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 V

Beim Laden spaltet sich das Wasser- molekül und an der Anode bildet sich Bleidioxid (PbO2) als wirksame Elektrodenmasse. Sie verfärbt sich dunkelbraun. Die Kathode besteht im

geladenen Zustand aus reinem Blei (grau).

Beim Entladen Sulfatieren beide Blei- Elektroden (PbSO4). Der Elektrolyt wird immer wässriger (verdünnte Schwefelsäure H2SO4 + H2O).

Stahlakku

Die Platten sind vernickelte Stahlplat- ten,deshalb der Name. Die Säure ist im Gegensatz zum bekannteren Bleiakku keine Schwefelsäure sondern

Kalilauge.

Die Zellenspannung ist 1,3 V (ähnlich NiCd bzw. NiFe).

Nachteil Energiedichte, Gewicht

Vorteil Unempfindlicher

Lebensdauer

(31)

29

RE 1.1435

Wie gross ist der Ladewirkungsgrad eines Nickel-Cadmium-Akkumulators mit einer Ladekapazität von 120Ah, wenn 48 Stunden lang ein Strom von

A 85 ,

1 entnommen werden kann?

Gebräuchliche Akkutypen

Bezeichnung Aufbau Ladeverfahren Anwendung Umwelt

Blei-Akku

Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure (H2SO4) Anode Bleioxid (PbO2).

Kathode metallisches Blei

I/U-Ladeverfahren Nennspannung 2V Leerlaufspannung 2,08V Selbstrentladung 2% pro Tag

Hohe Strombelastbarkeit

NiCd Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhydrid (KOH).

Anode Oxy-Nickelhydroxid (2NiOOH)

Kathode Cadmium

Konstantstrom oder Reflex-Ladeverfahren Memoryeffekt Nennspannung 1,2V

Geräte des

täglichen Bedarfs giftig, aber recyclebar

% 74

(32)

Version 2 30

RE 1.1436

Ein Ladegerät liefert zum vollständigen Laden der Batterie einer Notbeleuch- tung während 5 Std. 12 Min. einen Strom von 5A und während 20 Std.

einen Strom von 250mA.

Wie lange könnte der Akkumulator 3,2A abgeben, wenn der Ah- Wirkungsgrad 77% ist?

Ah 46 , 7

Ladegerät

Akkumulator

Notbeleuchtung

(33)

31 Kupfergewinnung

Bei der Gewinnung von Elektrolyt-Kupfer fliessen 8 kA während 24 h; Aus- beute: 84%. Welche Kupfermenge wird abgeschieden?

Kupfergewinnung

Verkupfern

(34)

Version 2 32 Versilbern eines Stahlbleches

Ein Stahlblech mit einer Oberfläche von A=30cm² soll einer Silbernitratlö- sung (AgNO3) mit einer d =10

µ

m dicken Schicht galvanisch versilbert werden. Die Stromausbeute der Galvanisierungsanlage beträgt

η

=0,85

und die gewählte Stromdichte s=10mA/cm²

(c_Ag =1,1179mg/As;

ρ

_Ag

= 10 , 5 g / cm

³).

Bestimmen Sie:

a) Nutzstrom I_N,

b) Badstrom I und erforderliche Zeit t in Minuten!

Silbernitratlösung ist giftig

Wichtige Voraussetzungen für das Galvanisieren:

Elektrolyt U

[V] I in mA

je cm² Kupfer,

sauer 1 bis 3 30 bis 35 Nickel,

sauer 2 bis 4 10 bis 50 Silber,

sauer 1 bis 3 10 bis 30 Gold,

alkalisch 2 bis 3 20 bis 50

Richtige Anode wählen:

Anode Eignung

für

Kupfer Kupfer

Nickel Nickel

Edelstahl Silber, Gold

(35)

33 Flachbatterie

Eine Flachbatterie besteht aus 3 hintereinander geschalteten Zellen mit einer Quellenspannung von je 1,5 V und einem Innenwiderstand von je 0,18 Ω. Die Klemmenspannung darf bei Belastung höchstens um 0,1 V absinken.

Welchen Widerstandswert darf der Lastwiderstand RL besitzen ?

A ,185 0

Ω 8 23,

(36)

Version 2 34 Stromquelle

Wird eine Stromquelle mit 23 Ω Innenwiderstand und 1,5 V Leerlaufspan- nung belastet, so sinkt die Klemmenspannung auf 1,2 V ab. Wie gross ist der Belastungsstrom ?

13mA

(37)

35 Ein Batterie liefert 16 Stunden lang bei einer Spannung von 240 V eine Stromstärke von 60 A. Wieviele kWh sind beim Laden aufzu- wenden, wenn der Wirkungsgrad 75% beträgt?

(38)

Version 2 36 Dichte einer Akku-Säure

Wieviel Akkumulatorensäure von der Dichte 1,15kg/dm³ und wie viel von der Dichte 1,2kg/dm³ ergeben zusammen 2,5l Säure von der Dichte 1,17kg/dm³?

) 2 , 1 ( 0 , 1 l

) 15 , 1 ( 5 , 1 l

(39)

37 Batterievorwiderstand

Auf welchen Wert ist der Vorwiderstand R_V einzutellen? Machen Sie eine neue Skizze mit Innenwiderstand der Batterie und tragen Sie alle bekannten und berechneten Werte in dieser Schaltung ein.

Ri

U0 U_Kl

RV

R I

UR

Ri

U0 U_Kl

RV

R I

UR

V U₀ =48

Ω 05 0, R_i=

V U_R=42

A I=12

Ω 45 0,

(40)

Version 2 38

RE 1.52

Elektrochemie

In einer Trommel wurden 2000 Schrauben M5x16 bei 7V Spannung und A

40 Stromstärke innert 60 Min. vernickelt (c=1,0945g/Ah).

Welche Menge Nickel wurde ausgeschieden:

a) theoretisch und

b) bei einer Stromausbeute von 97%?

g 78 , 43

g 47 , 42

(41)

39

RE 1.53

Elektrochemie

Welche Elektrizitätsmenge wird benötigt, um 1 Tonne Aluminium elektro-

chemisch auszuscheiden (c=0,3354g/Ah)? 2,982MAh

Vom Bauxid zum Aluminium

Zusammensetzung Der Erdkruste

[%]

Sauerstoff 46,6

Silizium 27,7

Aluminium 8,1

Eisen 4,7

Calcium 3,6

Natrium 2,8

Kalium 2,6

Magnesium 2,1

Titan 0,4

Wasserstoff 0,1

Rest <0,1

(42)

Version 2 40

RE 1.85

Elektrochemie

Eine Minaturbatterie gibt während 12,1s eine Elektrizitätsmenge von 0,092C ab.

Wie gross ist die Stromstärke?

603mA , 7

(43)

41

RE 1.87

Elektrochemie

Beim vernickeln von Steckern fliesst während 28 Minuten ein Strom von A

88 . Das elektrochemische Aequivalent ist 1,095g/Ah, die Stromausbeu- te beträgt 85%.

Bestimmen Sie die ausgeschiedene Nickelmenge!

g 22 , 38

F-Stecker

Prüfbuchse

(44)

Version 2 42

RE 1.90

Elektrochemie

Zu verkupfernde Werkstücke haben eine Oberfläche von je 2,72cm². Die Stromdichte soll 1,1A/dm² betragen.

a) Welche Stromstärke ist einzustellen, wenn gleichzeitig 25 Werkstücke verkupfert werden?

b) Welche Elektrizitätsmenge wird benötigt, wenn der Prozess 25 Min.

dauert?

A 748 , 0

3117Ah , 0

(45)

43

RE 1.54

Elektrochemie

Welche Stromstärke ist beim Verkupfern einzustellen, wenn mit einem elekt- rochemischen Aeqivalent von c=2,3716g/Ah, einer Stromausbeute von

%

80 zu rechnen ist und in 42 Min. 8,4g Cu ausgeschieden werden?

A 325 , 6

Die Elektrode A sollte aus Kupfer sein, als Elektrolyt eignet sich zum Beispiel

Kupfersulfat.

Der Pluspol der Stromquelle sollte mit der Kupferelektrode (A) verbunden werden, der Minuspol mit dem Schlüs-

sel. Nur wenn der Schlüssel negativ geladen ist, zieht er die zweifach positiven Kupferionen, die sich im Elektrolyten befinden, an.

Höhere Stromstärke und längere Versuchsdauer erhöhen die am

Schlüssel abgeschiedene Kupfermenge.

(46)

Version 2 44

RE 1.55

Elektrochemie

Auf einer Tabelle zu einem Silbertrommelbad findet man folgende Angaben:

Stromdichte 0,14A/dm²

Oberfläche der Charge 500dm²

Ausgeschiedene Silbermenge pro Minute 4,696g

Welches elektrochemische Aequivalent ergibt sich aus diesen Angaben?

Anode Kathode

e-

Ag+

Ag+ Kation e-

Ag Age- Ag+

Fe ^e-

Ag

Ag - +

Ag+ Elektrolyt Silberlösung

Ah g/ 025 , 4

Metalle und Legierungen, wie Neusil- ber (das ist eine Nickel-Kupfer-Zink- Legierung, die wie Silber aussieht), Kupfer, Messing, Zink, Zinn, Blei, Eisen, Stahl und Nickel, aber auch nicht-metallische Materialien wie Glas oder Kunststoffe sind für das Versil- bern geeignet.

Wichtige Erkenntnis 90er Versilberung Die Stärke der Versilberung auf Bestecken und Tafelsilber wird meist mit einem gestempelten Zahlenwert angegeben. Die Zahl (zwischen 84 und 180) beziffert dabei die auf 2400 cm² =24dm² Oberfläche (entspricht etwa der von 12 Gabeln und 12 Löffeln) aufgebrachte Menge Feinsil- ber in Gramm, wobei Schichtstärken von ca. 34 - 37µm bei 90er, sowie 45µm bei 100er Versilberungen entstehen.

Die Buchstabenfolge EP weist auf eine galvanische Versilberung (electroplated) hin, EPNS bedeutet elektroplattiertes Nickelsilber, EPBM elektroplattiertes Britanniametall.

Stempelung einer Silbergabel mit 90-g-Versilberung Eine Versilberung ist nur auf weitgehend unelastischen Materialien sinnvoll, weil sich sonst die Verbin- dung absehbar stellenweise löst und die Silberschicht auf Dauer überall abblättert.

Anode

Als Anode wird Silber mit einem hohen Reinheitsgrad verwendet.

Anode

KathodeFe Ag

Silberelektrolyten Cyanidhaltige Silberelektrolyte

Kaliumcyanoargentat Silbercyanid Kaliumcyanid Natriumcyanid Cyanidfreie Silberelektrolyte Thiosulfatokomplexen des Silbers

(47)

45

RE 1.56

Elektrochemie

Eine Auspuffanlage wurde innert 3,2Min. bei 60A verchromt.

a) Wieviel g Chrom wurden ausgeschieden, wenn die Stromausbeute 15% und das elektrochemische Aequivalent 0,6468g/Ah betragen?

b) Originale Gefahrenkennzeichen einkleben und kurz beschreiben!

g 3105 , 0

Chrom Dichte 7,14 g/cm³

GHS-Gefahrenkennzeichnung

Akute Gefahren für die Umwelt H:400, P237 Chrompulver EU-Gefahrensymbol

leicht entzundlich

(F)

Gesundheits- schädlich

(Xn) R11-R40 S7-S33, S36, S37-S60

Chrom(VI)-oxid

(48)

Version 2 46

RE 1.57

Elektrochemie

Welche Menge Zinn wird beim Galvanisieren eines Bechers in 36 Minuten bei 0,8A/dm² Stromdichte und 5dm² Oberfläche ausgeschieden?

Stromausbeute 90%

Elektrochemisches Aequivalent c=2,2142g/Ah

g 783 , 4

Bei der galvanischen Verzinnung werden die zu verzinnenden Gegen- stände nach einer geeigneten Vorbe- handlung in einen Zinnelektrolyten eingetaucht. Durch das Anlegen einer

elektrischen Spannung scheidet sich an der Oberfläche der Gegenstände ein Zinnüberzug ab. Mit diesem Verfahren lassen sich auch sehr dünne Schichten von wenigen µm realisieren, wodurch der Materialver- brauch entsprechend gering ist. Damit

besitzt dieses Verfahren wirtschaftli- che Vorteile gegenüber der Feuerver-

zinnung.

(49)

47

RE 1.58

Elektrochemie

Wie lange dauert das Versilbern eines Werkstückes von 50cm² Oberfläche, wenn bei 1,4A/dm² Stromdichte 51,4mg Silber ausgeschieden werden sollen?

Stromausbeute 100%

Elektrochemisches Aequivalent c=4,024g/Ah

. 095 ,

1 Min

Grundwerkstoffe:

Stahl, Edelstahl, Kupfer, Messing, Bronze, Zinkdruckguß, Aluminium

Funktionsverbesserung / Eigenschaften:

• gravierende Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit

• Minimierung der Abreißfunken bei Lastschaltungen

• chemische Beständigkeit

• Gleitschicht im Hochtempera- turbereich bis 850 Grad C

• geringerer Übergangswider- stand

• lebensmittelecht

• gute Lötbarkeit

• exzellentes Reflexionsvermö- gen

Versilbern in der Elektrotechnik

Kontakte für bessere Lötbarkeit

Leiter gegen Oxidation

Sicherung mit Silberinnenleiter

(50)

Version 2 48

RE 1.59

Elektrochemie kg

14 Schützteile sollen vernickelt werden. Die Gesamtoberfläche ist 450dm2, die Stromdichte 0,4A/dm². Der Prozess dauert 90 Minuten. Die Stromausbeute ist 97%, das elektrochemisches Aequivalent 1,0945g/Ah. Berechnen Sie die ausgeschiedene Nickelmenge!

g 6 , 286

Nickel ist bei Raumtemperatur gegen Luft, Wasser, Salzsäure und Laugen sehr beständig. Verdünnte Säuren greifen Nickel nur sehr langsam an.

Folgende Oberflächenveredelungen können für die unterschiedlichsten Stahlgüten als hochwirksamer Korro- sionsschutz verwendet werden:

• Elektrolytisch verzinktes Feinblech ZE

• Elektrolytisch Zink-Nickel be- schichtetes Feinblech ZN

• Feuerverzinktes Feinblech Z

• Feuerverzinktes Feinblech ZM Eco- Protect

• Feuerverzinktes Feinblech Galvan- nealed ZF

• Zink-Aluminium schmelztauchveredel- tes Feinblech GALFAN ZA

• Feueraluminiertes Feinblech fal AS

• Dünnfilmbeschichtetes Feinblech

• Substrat: ZE- oder Z-Feinblech

Elektrolytisch raffiniertes 99,9%-iges Nickel als Knolle

Kupfer und Nickel 13.2g

(51)

49

RE 1.1482

Belastete Spannungsquelle

Drei Akkumulatoren mit je 12V Nennspannung und 40Ah, 60Ah und 72Ah Kapazität werden zusammengeschaltet. Eine Schaltungsskizze wird aus- drücklich verlangt!

Wie gross ist die Gesamtkapazität, wenn die Akkus:

a) seriegeschaltet oder b) parallelgeschaltet werden?

40Ah Ah 172

Formelsammlung Serieschaltung von Spannungsquellen

Formelsammlung Parallelsschaltung von Spannungsquellen

(52)

Version 2 50

RE 1.1483

Mignonzellen

15 Mignonzellen mit einer Leerlaufspannung von je 1,5V und einem Innen- widerstand von je 0,75Ω sind so geschaltet, dass je fünf seriegeschaltete Zellen parallel geschaltet werden.

Es sind :

a) die Leerlaufspannung und

b) der innere Widerstand der Batterie zu berechnen!

Europa, JIS (Inter- national)

USA

ANSI IEC Duracel Visualisierung Ø, Länge

Abmessung

Kapatität [mAh]

Spannungen [V]

UM-3

(AM-3) AA

LR6 R6 FR6 ZR6

MN1500 4 14,5 x 50,5 400 …3900 1,5

1,2¹

1/4AA 5 14,5 x 14,0 1,5

1,2¹

1/3AA 6 14,5 x 17,0 1,5

1,2¹

1/2AA 7 14,5 x 25,1 1,5

1,2¹

2/3AA 8 14,5 x 33,5 1,5

1,2¹

Detailliste siehe Kap. 6.6 Batterien und Akkumulatoren Vergleichstabelle

V 5 , 7

Ω 25 , 1

Mignonbatterie

Primärzellen

Pole IEC

Alkali-Mangan¹ LR6

Zink-Kohle¹ R6

Lithium-Eisensulfid¹ FR6 Nickel-Oxyhydroxid¹ ZR6

Sekundärzellen

Pole IEC

Nickel-Metallhydrid² HR6 Nickel-Cadmium² KR6 RAM-Zellen¹

1 1,5V

2 1,2V

RAM Rechargeable Alkaline Manganese

Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in andere Müll-

sammelbehälter oder in die Umwelt, da sie umweltschädli-

che und wiedergewinnbare Stoffe enthalten.

(53)

51

RE 1.1484

Leclanchézellen

6 Leclanchezellen zu 1,5V, 0,3A, 0,4Ω sind in allen sinnvollen Schaltungen zusammen zu schalten.

a) Wieviele Schaltungen sind möglich?

b) Geben Sie die Nenndaten dieser Batterien an!

4

Leclanchézellen Zink-Kohle Zink-Braunstein Das Leclanché-Element ist ein historisches galvanisches Element, das von Georges Leclanché entwickelt

und 1866 patentiert wurde. Es stellt eine elektrische Batterie (Primärele- ment) dar und war in der ursprüngli- chen Form mit flüssigem Elektrolyt ausgestattet. Es zählt damit zu den heute nicht mehr verwendeten

„Nassbatterien“. Verbesserungen führten zu einem gelierten Elektrolyt

und es stellt einen Vorläufer der Trockenbatterien wie dem Zink- Braunstein-Element und der Alkali-

Mangan-Batterie dar.

Das Leclanché-Element weist eine Klemmenspannung von 1,5 V auf und besteht aus einer Anode aus Zink, die den negativen Anschluss darstellt, einem Elektrolyt aus Ammoniumchlo-

rid, und einer Kathode aus Graphit, die den positiven Anschluss der Zelle darstellt. Die Kathode ist zum Elektro- lyt hin durch Mangandioxid (Braun- stein) umgeben, der als Depolarisator

wirkt.