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Um herauszufinden, wie einfach es ist, zu Hause Strom aus unkonventionellen Quellen zu gewinnen, werden wir ein Experiment durchführen, das jeder gefahrlos zu Hause durchführen kann. Lassen Sie uns versuchen, elektrischen Strom aus einer Zitrone zu pressen. Zu diesem Zweck werden wir eine Volta-Zelle bauen und ihre Funktionsweise analysieren.
Zuerst ein wenig Theorie.
Was ist ein elektrischer Strom?
Elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung von elektrischen Ladungen. Der Auslöser für diese Bewegung ist das Vorhandensein einer Spannung bzw. eines Potentialunterschieds. Stromträger (Elektronen) bewegen sich von einem niedrigeren Potential zu einem höheren Potential. Geräte benötigen eine Stromquelle mit einer bestimmten Spannung, die für sie geeignet ist. Die Spannung wird in Volt angegeben und mit dem Buchstaben „V“ gekennzeichnet, z.B. 230 V
Es wird zwischen Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) unterschieden.
Die grundlegende Größe, die einen elektrischen Strom charakterisiert, ist die Stromstärke. Sie ist definiert als das Verhältnis zwischen der Ladung, die durch einen Querschnitt eines Leiters fließt, und der Zeit, die sie dafür benötigt.
I – elektrischer Strom [A – Ampere];
q – übertragene elektrische Ladung [C – Coulomb];
t – Zeit [s – Sekunde].
Elektrischer Strom ist eine skalare Größe. Die Einheit des elektrischen Stroms ist das Ampere [A]. Die herkömmliche Richtung des Stromflusses wird als vom Pluspol zum Minuspol angenommen.
Ohmsches Gesetz
Georg Simon Ohm fand bereits im 19. Jahrhundert heraus, dass der Wert eines elektrischen Stroms nicht nur von der Spannung zwischen den Enden eines Leiters, sondern auch vom Widerstand abhängt. Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Wert des fließenden Stroms I direkt proportional zur an den Widerstandsenden angelegten Spannung U und umgekehrt proportional zum Widerstand R ist.
Volta-Zelle - galvanische Zellen
Was ist eine Volta-Zelle?
Der italienische Physiker Alessandro Giuseppe Volta tauchte zwei Platten aus Silber und Zink in Salzwasser und entdeckte, dass, wenn sie in einem elektrischen Stromkreis verbunden waren, ein Strom darin zu fließen begann. Auf diese Weise entdeckte er eine der ersten galvanischen Zellen, die nach ihm Volta-Zelle genannt wurde.
Eine galvanische Zelle ist ein Gerät, das chemische Energie direkt in elektrischen Gleichstrom umwandelt. Die Volta-Zelle ist die Spannungsquelle. Eine solche Spannung hat einen bestimmten Wert. Das Prinzip der Zelle ist wie folgt: Der Elektrolyt bildet durch Dissoziation Gruppen von Ionen, die von den Elektroden angezogen werden.
Eine Elektrode zieht Elektronen im Überschuss an, d.h. negativ geladene Anionen, die andere Elektrode zieht Elektronen im Defizit an, d.h. positive Kationen Wenn die Elektroden über ein Stück Leiter mit der Außenseite der Zelle verbunden sind, fließt durch die Elektronen, die sich im Stromkreis von der Anode zur Kathode bewegen, ein elektrischer Strom. Die Zellen werden in tragbaren elektrischen Geräten wie Taschenlampen, kleinen Haushaltsgeräten, in Autobatterien und sogar in der Medizin verwendet, wo eine Quecksilberzelle z.B. einen Herzschrittmacher mit Strom versorgt.
Gekaufte Batterien haben zwei Pole – einen positiven, mit „+“ (Kathode) gekennzeichneten, und einen negativen, mit „-“ (Anode) gekennzeichneten. Bei typischen zylindrischen Batterien wie der R6/AA oder R14/C sind die Pole die Enden der Batterie. Bei Autobatterien sind die Pole Bleiklemmen.
Experiment - Elektrischer Strom aus einer Zitrone
Um das Prinzip der Volta-Zelle zu verstehen, können Sie ein Experiment durchführen, für das Sie folgendes benötigen: eine Zitrone, eine Kupfer- und Zinkplatte, ein Messgerät (Multimeter) mit Drähten und einen kleinen Widerstand mit einem Widerstand von z.B. 1 kΩ. Die beiden Kupfer- und Zinkplatten werden in die Zitrone „gesteckt“, damit die Messdrähte angeschlossen werden können.
Wenn Sie die Potentialdifferenz (Spannung) messen, indem Sie die Leitungen (Sonden) des Messgeräts an die Kupferplatte (eine Leitung) und an die Zinkplatte (die andere Leitung) anlegen und das Gerät so einstellen, dass es die Gleichspannung im kleinsten Bereich misst, erhalten wir einen Spannungswert von etwa 0,81 [V].
Um zu prüfen, welcher Strom im Stromkreis fließt, sollte der Stromkreis geschlossen werden. Dazu verwenden wir einen Widerstand, den wir zwischen dem Kupfer- und dem Zinkblech platzieren.
Wenn der Stromkreis durch den Widerstand geschlossen wird, beginnt ein elektrischer Strom in dem Stromkreis zu fließen.
Der Effekt des Stromflusses ist ein Spannungsabfall, so dass die Potenzialdifferenz der Zelle abnehmen sollte. Wenn wir die Potenzialdifferenz (Spannung) erneut messen, indem wir die Messleitungen (Sonden) des Messgeräts an die Kupferplatte (eine Leitung) und an die Zinkplatte (die andere Leitung) anlegen und das Gerät so einstellen, dass es die Gleichspannung im kleinsten Bereich misst, erhalten wir einen Spannungswert von nur 0,22 V.
Um genau zu bestimmen, wie viel elektrischer Strom im System fließt, müssen Berechnungen auf der Grundlage des Ohmschen Gesetzes durchgeführt werden, das die Beziehung zwischen der an einen Leiter (Widerstand) angelegten Spannung und dem durch diesen Leiter (Widerstand) fließenden Strom beschreibt.
Berechnen wir also den Strom, der in diesem Stromkreis fließt:
Unsere Zitrone liefert nicht viel Strom. Die Leistung einer solchen Zelle beträgt 0,053 mW.
Die Schlussfolgerung nach einem solchen Experiment liegt auf der Hand – Zitronenstrom wird weder die Haushaltsrechnungen senken, noch werden wir in der Lage sein, unsere Elektrogeräte mit Zitrusfrüchten zu betreiben.
Nicht-wissenschaftliche Erklärung - woher kommt der Strom aus einer Zitrone?
Die Zitrone speichert keinen Strom. Wenn ihr Saft jedoch mit bestimmten Metallen in Berührung kommt, findet eine elektrochemische Reaktion statt, die ihrerseits die Elektronen in Bewegung setzt. Zitronen sind Elektrolyte – sie enthalten positive und negative Ionen. Wenn Elektroden aus zwei verschiedenen Metallen angebracht werden, entsteht ein Potentialunterschied oder eine elektrische Spannung. Es ist also eine natürliche Verbindung. Die Zellspannung (elektromotorische Kraft) ist bei diesen Zellen gering, diese Zellen sind kurzlebig, da der Elektrolyt schnell verbraucht ist.
Die Zitronenbatterie ist ein Beispiel für eine galvanische Zelle: Durch elektrochemische Reaktionen wird ein elektrischer Strom erzeugt. Jede Zelle kann man sich als zwei Halbzellen vorstellen. Die Halbzelle hingegen ist eine Metallelektrode, die in eine geeignete Lösung eingetaucht ist. An diesen Elektroden finden Oxidations- (an der Anode, der negativen Elektrode) und Reduktionsreaktionen (an der Kathode, der positiven Elektrode) statt. Die Halbzellen sind durch einen elektrischen Leiter miteinander verbunden, der den Elektronenfluss von der negativen zur positiven Elektrode ermöglicht. In unserem Fall ist der Elektrolyt die wässrige, saure Lösung der Zitrone.
Wissenschaftliche Erklärung - wie erzeugt die Zelle Strom?
In einer Zitrone ist die Zitronensäure in ein H+-Kation und ein Anion des Säurerestes dissoziiert, das man bei Zitronensäure ganz einfach als R-COO- bezeichnen kann. Das Zinkblech reagiert mit der Säure (das Zink wird oxidiert) und das Zinkkation Zn2+ geht in Lösung. Bei dieser Reaktion werden zwei Elektronen erzeugt, die, durch den Stromkreis fließend, den Fluss eines elektrischen Stroms induzieren.
Die Kupferelektrode reagiert nicht mit der Lösung, aber an ihr findet eine andere wichtige Reduktionsreaktion statt. Hier treffen die Elektronen auf die Wasserstoffkationen und es findet eine Reduktionsreaktion zum Wasserstoffgas H2 statt. Wenn man Kupfer- und Zinkplatten in eine Zitrone legt, aber den Stromkreis nicht schließt, reagiert nur die Zinkplatte mit der Säure gemäß der folgenden Gesamtgleichung:
Zn + 2R-COOH -> (R-COO)2Zn + H2
Durch die Aufteilung der Reaktion in zwei Hälften war es möglich, die Elektronen dazu zu bringen, aus der Lösung zu fließen.
Die Spannung einer einzelnen Zitronenzelle ist eher gering. Um die Diode zum Leuchten zu bringen, müssen die Zellen also in Reihe geschaltet werden – dann addieren sich die Zellspannungen und die Spannung steigt.
Ähnliche Experimente können auch mit einer Kartoffel durchgeführt werden. Die Kartoffel selbst erzeugt auch keinen Strom, aber sie enthält Ascorbinsäure, die in Kombination mit der Kupferelektrode und Zink die Elektronen zur Bewegung anregt. Interessanterweise wurde festgestellt, dass sich gekochte Kartoffeln viel besser zur Stromerzeugung eignen. Dies ist der Tatsache zu verdanken, dass ihr Innenwiderstand nach dem Kochen reduziert wird und sie 10 Mal mehr Strom erzeugen können als rohe Kartoffeln.
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