Elektrische Energie

 

2. Spannungsquellen (Buch S. 246 - 255)

Der Abschnitt "wissen & verstehen" umfasst im Buch sechs Seiten. 

  • Quellen- und Klemmenspannung
  • Schaltung mehrerer Spannungsquellen
  • Die Galvanische Zelle
  • Die Volta´sche Säule
  • Das Zink/Kohle-Element
  • Das Alkali/Mangan-Element
  • Der Bleiakku
  • Der Lithium-Ionen-Akku
  • Die Brennstoffzelle
  • Die Solarzelle

Der Abschnitt "forschen & anwenden" umfasst im Buch vier Seiten mit insgesamt elf Aufgaben:

  1. Der Ladezustand von Batterien
  2. Die Starterbatterie
  3. Der Innenwiderstand von Batterien
  4. Ladediagramm einer Batterie
  5. Parallel- und Serienschaltung von Spannungsquellen
  6. Galvanische Zelle
  7. Zitronenbatterie
  8. Der Wirkungsgrad von Solarzellen
  9. Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke einer Solarzelle
  10. Die Wirkung des Einfallwinkels
  11. Photovoltaikanlagen

Hinweise, Ergänzungen und Lösungen zu den Arbeitsaufgaben

 

2.1 Der Ladezustand von Batterien

 

Das Video enthält einige schwere physikalische Fehler bzw. "Missverständnisse". Versuche, sie zu finden und richtigzustellen!


 

2.2 Die Starterbatterie

Mit den im Buch angegebenen Daten ergibt die Rechnung folgende Werte:

Innenwiderstand des Akkus: Ri = 0,03 Ohm;  

Klemmenspannung: UKl = 8,4 V;

Kurzschlussstromkstärke IK = 400 A

 

Innenwiderstand von Spannungsquellen (fahrzeug-elektrik.de)

 

Das Video zeigt, was beim Kurzschließen eines Bleiakkus passieren kann!


 

2.3 Der Innenwiderstand von Batterien

Experiment zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie
Experiment zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Batterie

Der Innenwiderstand einer Batterie lässt sich (wie im Buch dargestellt) über die Kurzschlussstromstärke ermitteln. Allerdings misst diese Methode den Innenwiderstand des Amperemeters mit, belastet die Batterie stark und ist auch nur begrenzt einsetzbar. Bei Akkus mit kleinem Innenwiderstand ist sie nicht anwendbar, da die Kurzschlussstromstärke viel zu hoch ist.

Eine zweite Methode ist allgemein einsetzbar, allerdings aufwendiger. Dazu wird ein Stromkreis mit Verbraucher aufgebaut. Die Stromstärke und die Spannung an der Batterie werden gemessen. Ist der Stromkreis nicht geschlossen, zeigt das Voltmeter die Quellenspannung an und die Stromstärke ist 0. Wird der Stromkreis geschlossen, zeigt das Voltmeter die Klemmenspannung und die Stromstärke ist nicht mehr 0. Aus diesen drei Zahlenwereten lässt sich der Innenwiderstand berechnen. Dazu muss die Formel von S. 246/247 im Buch umgeformt werden.

Mit den beiden Bildern (links) kann eine Auswertung gemacht werden. Es ergibt sich dabei ein Innenwiderstand von 2,3 Ohm. Zu berücksichtigen ist, dass der Innenwiderstand einer Batterie auch von deren Belastung abhängt, also davon, wie viel Strom fließt.


 

2.4 Ladediagramm einer Batterie

 


 

2.5 Parallel- und Serienschaltung von Spannungsquellen

Diese beiden Bildpaare zeigen eine Parallelschaltung (oben) und Serienschaltung (unten) von zwei Flachbatterien. Die Schaltpläne dazu befinden sich im Buch S. 253. Um eine größere Belastung der Batterien, also eine größere Stromentnahme zu erreichen, wurden drei Glühlämpchen parallel als Verbraucher angeschlossen.

Die Bilder können als Basis für die Beantwortung der Fragen verwendet werden (klicken zum Vergrößern)


 

2.6 Galvanische Zelle

Experiment zur Galvanischen Zelle
Experiment zur Galvanischen Zelle

 

2.7 Zitronenbatterie


 

2.8 Der Wirkungsgrad von Solarzellen


 

2.9 Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke einer Solarzelle

Die Leerlaufspannung ist die Spannung, die an der Solarzelle zu messen ist, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Sie entspricht der Quellenspannung.

 

In der oberen und unteren Bildreihe wurde jeweils die gleiche Solarzelle verwendet. Bei den rechten Bildern ist die Solarzelle aufgrund der großen Helligkeit nicht zu sehen.

Die Kurzschlussstromstärke ist jener Strom der fließt, wenn die beiden Pole der Solarzelle miteinander verbunden werden, also ein Kurzschluss erzeugt wird. Aufgrund des hohen Innenwiderstandes einer Solarzelle muss dabei nicht mit gefährlichen Wirkungen gerechnet werden.

 

In der oberen und unteren Bildreihe wurde jeweils die gleiche Solarzelle verwendet. Bei den rechten Bildern ist die Solarzelle aufgrund der großen Helligkeit nicht zu sehen.


 

2.10 Die Wirkung des Einfallwinkels

Experiment zur Untersuchung der Auswirkung des Einfallswinkels des Lichts.
Experiment zur Untersuchung der Auswirkung des Einfallswinkels des Lichts.

Zu dieser Aufgabe gibt es im eBook eine Animation und Bilder. Sie können als Basis für eine quantitative Auswertung verwendet werden. 


 

2.11 Photovoltaikanlagen