Vortrag über Stromversorgungen und Batterien

Wichtige Konzepte

• Stromversorgungen: Halten eine konstante Spannungsdifferenz (V) aufrecht.
• Widerstände (R): Verursachen Stromfluss und beeinflussen elektrische Felder.
• Elektrische Felder: Laufen immer vom positiven zum negativen Potential.
• Stromfluss:
  • Durch die Stromversorgung: Gegen das elektrische Feld.
  • Durch den Widerstand: In Richtung des elektrischen Feldes.

Wirkungsweise der Stromversorgung

• Das elektrische Feld innerhalb der Versorgung läuft entgegengesetzt zum Stromfluss.
• Ein Mechanismus (wie eine Pumpe) muss den Strom gegen das elektrische Feld anziehen.

Chemische Energie in Batterien

• VandeGraaff- und Wimshurst-Maschinen: Nutzen einen Motor oder eine Handkurbel, um den Strom zu treiben.
• Gewöhnliche Batterien: Nutzen chemische Energie. Zum Beispiel Zink-Kupfer-Platten in einer Lösung (H2SO4).

Chemische Reaktion in Batterien

• Zink- und Kupferplatten: Erzeugen Spannungsdifferenz (~1 Volt).
• Ionen fließen durch eine Barriere von einer Seite zur anderen, angetrieben durch eine chemische Reaktion, die das elektrische Feld überwindet.
• SO4-Ionen: Negative Ionen bewegen sich von rechts nach links und nehmen an einer chemischen Reaktion teil, die Energie liefert.
• Kupfer- und Zinkionen: Präzipitieren bzw. lösen sich auf ihren Platten auf und halten die Neutralität aufrecht.
• Aufladen: Kehrt die chemische Reaktion mit Hilfe einer externen Stromversorgung um.

Gängige Batterietypen

• Autobatterien: Verwenden Blei und Bleioxid mit Schwefelsäure.
• Nickel-Cadmium-Batterien: Wiederaufladbar und in Unterhaltungselektronik verwendet.

Batterien in Schaltungen

• Symbole: Positive und negative Seiten, interner und externer Widerstand.
• Strom und Spannungsdifferenz: Geregelt durch das Ohmsche Gesetz.
• Kurzschluss: Ein gefährlicher Zustand, der den maximal möglichen Strom zeigt.

Serienschaltung und Parallelschaltung von Batterien

• Serienschaltung: Addiert Spannungsdifferenzen (Spannung), aber unterliegt dem internen Widerstand.

Praktische Demonstration

• Eine Kupfer-Zink-Batterie zeigt etwa 1 Volt Spannungsdifferenz.
• Zwei solcher Batterien in Serie verdoppeln die Spannungsdifferenz.

Leistung in Widerständen

• Leistung (P): Energie pro Zeiteinheit, gegeben durch die Formeln: P = IV, P = I²R und P = V²/R.
• Wärmeabgabe: Leistung, die in Form von Wärme abgegeben wird, höhere Ströme führen zu höherer Wärmeabgabe.

Praxisbeispiele

• Glühbirnen: Glühlampen sind ineffizient, da sie die meiste Energie in Wärme statt in Licht umwandeln.
• Elektroheizungen: Erzeugen Wärme ohne viel Licht zu produzieren, indem sie den Widerstand hoch und die Oberfläche groß halten.

Gebühren des Elektrizitätsunternehmens

• Energieverbrauch: Gemessen in Kilowattstunden, das Produkt aus Leistung (in Kilowatt) und Zeit (in Stunden).

Kirchhoffs Regeln für Schaltkreise

• 1. Regel: Das Integral des elektrischen Feldes über eine geschlossene Schleife hinweg ist Null.
• 2. Regel: Ladungserhaltung; der hineinfließende Strom muss dem hinausfließenden Strom entsprechen.

Lösen von Schaltungsproblemen

• Verwenden Sie Schleifenströme und lösen Sie Gleichungen basierend auf Kirchhoffs Regeln.
• Berechnen Sie Ströme und Spannungsdifferenzen in komplexen Schaltungen.

Bemerkenswerte Batteriedemonstration

• Hochspannungsbatterie: Erzeugt Zehntausende von Volt unter Verwendung von Wasserfluss und leitfähigen Dosen.
• Funken: Werden beobachtet, wenn sich Spannungsdifferenzen aufbauen und entladen.
• Aufgabe: Analysieren Sie die Funktionsweise dieser Batterie.