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Physik » Elektrodynamik » Funktionsweise Batterie in Detail (auf Uni-Level)
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Universität/Hochschule Funktionsweise Batterie in Detail (auf Uni-Level)
deSepp
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  Themenstart: 2021-08-20

Ich habe eine grundlegende Frage dazu, wie genau in einer Batterie potentielle Energie entsteht, die die Bewegung der Elektronen im Stromkreis bewirkt. Ich habe bisher im Internet nur Anschauungsmodelle wie das mit dem Wasserstromkreis (http://schulphysikwiki.de/index.php/Das_Potential_im_elektrischen_Stromkreis)oder "Fahrradkette-Analogie", allerdings würde ich gerne mit Methoden der Uni-Physik gerne nachvollziehen, wie genau der Elektronenfluss im geschlossenen Stromkreis durch die Batterie erzeugt wird, ohne mich mit irgenwelchen Alltags Analogien wie oben erwähnt zufrieden zu geben. Die semi-naive Erklärung via Elektrochemie ist ja, dass die Redox-Reaktion bewirkt, dass an einem Pol der Batterie dauerhaft Elektronen freigesetzt werden (genauer geben oxidierenden Atome ihre Elektronen "frei) und gleichzeitig am anderen Pol wird ungefähr derselbe Betrag der angekommenen Elektronen aufgenommen (chemisch werden sie von positiv geladenen Kationen aufgenommen). Meine Frage ist welcher Mechanismus treibt die Elektronen entlang des Verbindungsdrahts zwischen den beiden Polen zum anderen Pol. Klar ist es letztendlich am Ende der Kausalkette ein elektrisches Feld (die einzige Möglichkeit geladene Teilchen in Bewegung zu bringen), aber wie genau erzeugt die Batterie dieses Feld in Detail? Also wie funktioniert hier genau die Physik/ Elektrochemie auf dem Uni-Level? Was ich weiss: Zunächst bewirkt die Redoxreaktion, dass an einem Pol die Elektronen standig "rausgespuckt" werden und am anderen Pol aufgenommen (siehe Bild unten) und die Frage ist durch welche Mechanismen diese genau dazu gebracht werden sich zum anderen Pol zu bewegen. https://matheplanet.com/matheplanet/nuke/html/uploads/b/54924_Anionen.png Damit sich überhaupt ein geladenes Teilchen in einem elektischen Potentialfeld irgendwohin bewegen kann, muss es entlang des Verbindungsdrahtes eine elektrische Kraft $\vec{E}$ erfahren. Diese kann nur entstehen wenn ein Potentialgefälle vorliegt, das am Pol, wo die Elektrone rauskommen maximal und am Pol wo sie ankommen minimal ist. https://matheplanet.com/matheplanet/nuke/html/uploads/b/54924_Batt_Zelle.png Wie genau erzeugt die Batterie dieses Potentialgefälle? Können die einzelnen Prozesse angefangen mit der Rodox-Reaktion und endend mit Erzeugung jenes Potentialgefälles, das soweit ich es verstehe letzlich und einzig allein für den Elektronenfluss verantwortlich ist, in kausaler Reihenfolge erklärt werden. Fast alle Quellen, die ich gelesen habe, argumentieren damit, dass die freigesetzte Energiedifferenz infolge der Redox-Reaktion eine Spannung (also nichts anderes als das gesuchte Potentialgefälle) bewirkt. Aber wie genau? Das wird in allen von mir bisher studienrten Quellen scheinbar als eine Art black box behandelt. Wie entsteht das Potentialfeld, dass das elektrische Kraftfeld induziert, das für die Bewegung der Elektronen verantwortlich ist?


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DerEinfaeltige
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  Beitrag No.1, eingetragen 2021-08-20

Hast du die entsprechenden Wikipediaartikel zu galvanischen Zellen schon gelesen? Ein paar Stichworte wären: - Chemisches Gleichgewicht - Halbzellenreaktion - Elektrochemisches Potential


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deSepp
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  Beitrag No.2, vom Themenstarter, eingetragen 2021-08-20

Ja habe ich, allerdings hat es zu mehr Verwirrung als Lösung meines anliegens geführt. Stellvertretend dafür steht zum Beispiel die Erklärung hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemisches_Gleichgewicht#Beschreibung Es heisst dort: Der Elektronenfluss in einer galvanischen Zelle wird durch eine elektrische Spannung zwischen den Halbzellen hervorgerufen: In jeder Halbzelle treten durch die Phasengrenze fest/flüssig ständig Metallionen in beiden Richtungen hindurch. Überwiegt zunächst die Abgabe von Metallionen an die flüssige Phase, so lädt sich das Metall gegenüber der flüssigen Phase negativ auf. Diese Aufladung wirkt einem weiteren Übergang von positiven Metallionen in die flüssige Phase entgegen und führt zu einem Gleichgewicht. Pro Zeiteinheit treten gleich viele Ionen in beiden Richtungen durch die Phasengrenze. An der Phasengrenze entsteht eine elektrochemische Doppelschicht aus negativen und positiven Ladungsträgern. Walther Hermann Nernst beschrieb diese Vorgänge anschaulich als Gleichgewicht zwischen dem Lösungsdruck des Metalls und dem Abscheidungsdruck der Ionen. Nach der Einstellung des elektrochemischen Gleichgewichts sind die Elektroden unterschiedlicher Halbzellen verschieden aufgeladen, zwischen ihnen ist eine Spannung messbar. So wie ich es verstehe, heisst es, dass wenn man zwei Zellen mit verschiedenen Elektrodenpotentialen (https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrodenpotential) zu einer Galvanischen Zelle zusammenschaltet, so reduziert (also nimmt Elektronen auf) diejenige Zelle mit höherem Elektrodenpotential, und diejenige mit niedrigerem E-Potential gibt Elektronen frei (oxidiert). Ist es dann so gemeint, das es sich wie ein elektrostatischer Prozess verhält, bei dem sich auf einem Pol Elektronenüberschuss bildet, am anderen Pol ein Elektronenmangel bildet? (so hab ichs zumindest verstanden) Das klingt aber irreführend. Wenn es tatsächlich so wäre, dass der Elektronenstom durch ein Bestreben den Elektronendefizit auszugleichen entstünde, dann könnte man zB an den Stromkreis die Erde anschliessen, und der Pol mit Elektronendefizit müsste Elektronen aus der Erde "entziehen". Das ist aber bekanntlich nicht das was da in der Natur passiert. Grundsätzlich sei diese Veranschaulichung von Strom in Batterie durch Elektronenüberschuss und -mangel ja falsch, weil man zB durch Basteleien wie zuvor mit Erdverbindung zu absurden Voraussagen käme, die sich so nicht abspielen.


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deSepp
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  Beitrag No.3, vom Themenstarter, eingetragen 2021-08-20

Weiterhin: Nehmen wir fürs erste als black box das was in https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrodenpotential#Grundlagen zu Elektrodenpotentialen steht so an. Ok, dann heisst es ja, dass zwischen den beiden Zellen Polen $P1, P2$ intrinsisch eine Spannung/ Potentialdifferenz $E_{P2}-E_{P1}$ vorliegt. Jetzt schliessen wir den Stromkreis zwischen den Polen mit einem Leiter (+ gegenfalls einem Widerstand) (2. Bild im Eröffnungspost). Dann haben wir (wenn wir willkürlich das Potential am Pol $P1$ auf Null setzen, am Pol $P2$ Potential $E_{P2}-E_{P1}$. Was passiert dazwischen entlang des Leitungsdrahts? Welchen Verlauf nimmt dort das induzierte elektrische Feld an? Es soll (wenn wir Widerstande ignorieren) betragsmässig auf dem gesamten Draht konstant sein, aber wieso? Es ist plausibel anzunehmen, dass das Potential kontinuierlich von $P2$ nach $P1$ abnimmt, aber diese Information bestimmt doch das elektrische Feld entlang des Drahtes nicht eindeutig. Was wir nach dem obigen Infos zu Elektrodenpotentialen wissen, ist welche Werte sie an den Polen haben. Reicht es bereits aus (wieso?) um das elekrische Feld entlang des Verbindungsdrahts vollständig zu bestimmen?


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DerEinfaeltige
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  Beitrag No.4, eingetragen 2021-08-20

Vereinfacht, wie man es aus der Schule kennen sollte: Taucht man eine Metallelektrode in eine wässrige Lösung eines seiner Salze, bspw. einen Kupferstab in eine Lösung von Kupfersulfat, so kann die chemische Reaktion $\text{Cu}(s) \to \text{Cu}^{2+}(aq) + 2\text{e}^{-}$ sowie die entsprechende Rückreaktion stattfinden. allgemein $\text{Me}(s) \to \text{Me}^{z+}(aq) + z\text{e}^{-}$ Die Anzahl frei verfügbarer Elektronen auf der Elektrode hängt von der Lage des chemischen Gleichgewichts ab. Da die überzähligen oder fehlenden Elektronen eine elektrostatische Kraft ausüben können, kann man sie als elektrostatisches Potential auffassen. Verbindet man zwei solcher Halbzellen, erhält man eine Batterie. Auf Uni-Level wird es natürlich wesentlich komplizierter. Das Schulmodell enthält keine Betrachtung der Oberflächenprozesse und kann daher bspw. nicht erklären, warum Wasserstoff und Natrium sich gegenüber Platin- und Quecksilberelektroden so unterschiedlich verhalten. Wenn du es auf höherem Niveau verstehen willst, wirst du um die intensive Lektüre eines guten Buches zur physikalischen Chemie nicht herumkommen.


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StefanVogel
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  Beitrag No.5, eingetragen 2021-08-21

\quoteon(2021-08-20 16:13 - deSepp im Themenstart) Meine Frage ist welcher Mechanismus treibt die Elektronen entlang des Verbindungsdrahts zwischen den beiden Polen zum anderen Pol. Klar ist es letztendlich am Ende der Kausalkette ein elektrisches Feld (die einzige Möglichkeit geladene Teilchen in Bewegung zu bringen), aber wie genau erzeugt die Batterie dieses Feld in Detail? Also wie funktioniert hier genau die Physik/ Elektrochemie auf dem Uni-Level? \quoteoff Hallo deSepp, meine Antwort eher Hobby-Niveau, doch ich habe mir auch schon über solche Fragen Gedanken gemacht. Die Feldwirkung ist ein Modell, mit dem man sich bisherige Beobachtungen erklären und künftige Beobachtungen vorhersagen kann. Deswegen muss es aber nicht sein, dass tatsächlich soetwas wie ein Feld aufgebaut wird. Das Verhalten lässt sich auch ohne Feld und Ladung erklären. Mir ist das bei einem anderen Thread einmal aufgefallen. wo es überhaupt nicht um elektrischen Strom ging. Da kam dann ein Ergebnis heraus, dass der Parallelschaltung von Widerständen entspricht oder sowas in der Richtung. Mir fällt momentan nur nicht gleich das Thema ein als Suchwort (EDIT: war PageRank). Ich beschreibe das Modell mal so: Batterie kann als Blackbox genommen werden, da nehme ich statt dessen einen Kondensator, also zwei isolierte Platten mit je 50000 Teilchenpaaren "+" und "-". Durch irgendeinen Ladevorgang werden die "-" Teilchen von der einen Platte auf die andere Platte gebracht, so dass dann dort 100000 "-" sind. Dann werden die beiden Platten durch einen Draht bestehend aus 50000 aneinandergereihten Teilchenpaaren "+" und "-" verbunden. Wenn nun den "-" Teilchen die Eigenschaft zugedacht wird, dass sie sich in einer gewissen mittleren Zeit zum benachbarten "+" Teilchen bewegen, mit gleicher Wahrscheinlichkeit in jeder Richtung, dann sollte sich im Laufe der Zeit die Entladungskurve eines Kondensators ergeben. Dabei spielt es keine Rolle mehr, ob von "+" und "-" irgendwelche fernwirkende Kräfte ausgehen. "+" und "-" sind dann nur noch gedachte Beschriftungen der Teilchen, um sie zu unterscheiden. Wenn das stimmt (ich habe es jetzt konkret nicht nachgerechnet), dann wäre das ein Hinweis, dass man ausgehend von dem Modell des elektrischen Feldes nicht danach fragen kann, wie sich denn das elektrische Feld in Wirklichkeit aufbaut. Man hat das Modell, man kann damit rechnen und mit der Beobachtung vergleichen, mehr nicht. Viele Grüße, Stefan


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deSepp
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  Beitrag No.6, vom Themenstarter, eingetragen 2021-08-21

@DerEinfaeltige: Ja genau, so hab ich es auch verstanden, bei der Batterie hat man eben ja zwei solche Metallelektroden/Halbzellen, die einerseits beide in einer Elektrolyt-Lösung liegen, aber durch eine semipermeable Membran voneinander abgekoppelt sind, sadass nur bestimmte Ionen diese passieren können; die zweite Verbindung zwischen beiden ist der ubliche Leitungsdraht des Stromkreises (wie im Bild) An der "unedleren" der beiden Elektroden(formal: die mit dem niedrigeren Elektrodenpotential und die genau der Pol ist, von dem die Elektronen ihre Reise "starten") sammeln sich gemäss der von dir genannten Oxidationsreaktion $\text{Me}(s) \to \text{Me}^{z+}(aq) + z\text{e}^{-}$ frei verfügbaren Elektronen, an der edleren Elektrode verläuft diese teilreaktion umgekehrt, die Elektronen werden aufgenommen. Also, soweit ich nachvollziehen kann, bewirkt die Chemie ja, das an einem Pol (=Elektrode) ein Elektronenüberschuss, am anderen Pol ein Elektronenmangel vorliegt, der dafür sorgt, das elektrostatische Kraft aufgrund der Ladungsdifferenz entsteht, die zur Bewegung der Elektronen zum Pol mit Elektronenmangel führt. Und das ist dann der Stomkreis, den die Batterie bewirkt, hab ich deine Argumentation soweit richtig verstanden? Wenn ja, dann habe ich an dieser Stelle ein schwerwiegendes Verständnisproblem mit dieser Erklärung: Wenn tatsächlich die treibende Kraft hinter dem Stromfluss in der Batterie der durch Redox-Reaktion bewirkte Elektronenüberschluss an einem Pol und Elektronenmangel am anderen Pol ist (den gemäss Elektrostatik Elektronen versuchen auszugleichen), wieso ändert sich an diesem Stomkreis nichts, wenn wir als Gedankenexperiment mit dem Leiter einfach die Erde verbinden: https://matheplanet.com/matheplanet/nuke/html/uploads/b/54924_Earth.png Mit "Erde" meine ich im formalen Sinne ein Reservoir mit konstantem Potential überall, das ein unerschöpfliches Reservoir an Elektronen zur Verfügung hat, die es abgeben kann und gleichzeitig beliebig viele Elektronen aufnehmen kann, OHNE dass sich deren Potential ändert. Wenn wir dann davon ausgehen würden, dass einem Pol ständig Elektrodenüberschuss vorliegt, am anderen Pol Elektronenmangel, dann würden doch, sobald wir den Stromkreis mit Erde verbinden, die überschüssigen Elektronen an einem Pol von der Erde sofort absorbiert und der Elektronenmangel am anderen Pol von den Elektroen aus dem Reservoir der Erde via statischer Entladung aufgehoben werden. Anderseits beobachten wir in der Realität was anderes: Wenn wir die Erde wie oben an den Stomkreis anschliessen, ändert sich nichts. Wie lässt sich dieses Paradoxon auflösen? (dieses Paradoxon ist übrigens meine Motiation hinter dieser Frage)


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deSepp
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  Beitrag No.7, vom Themenstarter, eingetragen 2021-08-21

@StefanVogel: Ich bin da sehr vorsichtig mit der Analogie zwischen Battrie und Kondensator. Beim Kondensator ist der Entladungsprozess rein elektrostatischer Natur: sobald leitfähiges Material zwischen den beiden entgegengesetzt geladenen Polen vorliegt, erfolgt sofort die Entladung. Bei Batterien werden bei Redox-Reaktion (vgl die Antwort vom DerEinfaeltige) freie Elektronen gewisserweise "live" wieder aufs neue in den Stromkreislauf eingespeist, solange die chemische Energie nicht aufgebraucht ist. Es ist eher ein "Umwandeln" von chemischer in elektrische Energie. Ausserdem: Betrachte das Gedankenexperiment mit dem Anschliessen der Erde an die Schaltung in meiner Antwort an DerEinfaeltige. Wenn wir die Erde an eine der Kondensatorplatten - sagen wir die positiv geladene Platte, dh die mit Elektronenmangel - anschliessen würden, was würde passieren? Klar, aufgrund von elektrostatsicher Anziehung würden die Elektronen aus dem Reservoir der Erde diese positiv geladene Platte binnen Sekundenbruchteilen mit Elektronen versorgen, sodass die positive Lagung wieder neutralisiert ist. Würde man man den Stromkreis der Batterie mit Erde verbinden, würde nichts passieren, hmmm... Also ist die Natur der Batterie und des Kondensators im Hinblick auf die Erzeugung der elektrischen Batterie grundlegend unterschiedlich (auch schon allein, weil im Kondensator chemische Energie keine Rolle spielt)


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StefanVogel
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  Beitrag No.8, eingetragen 2021-08-21

\quoteon(2021-08-21 15:52 - deSepp in Beitrag No. 7) @StefanVogel: Ich bin da sehr vorsichtig mit der Analogie zwischen Battrie und Kondensator. Beim Kondensator ist der Entladungsprozess rein elektrostatischer Natur: sobald leitfähiges Material zwischen den beiden entgegengesetzt geladenen Polen vorliegt, erfolgt sofort die Entladung. \quoteoff Das kommt darauf an, bei endlicher Leitfähigkeit entsteht eine unendlich lange Entladungskurve. Aber Batterie anschließen geht auch. Dann muss die Blackbox jedes Teilchen "-", welches die negative Platte verlässt, sofort durch ein neues ersetzen und jedes Teilchen "-", dass auf der positiven Platte ankommt, sofort entfernen, bevor sie sich in den Draht zurückbewegen. Mir ging es anfangs nur darum, überhaupt einen Strom in Gang zu bringen. Der Kondensator hat dafür ausgereicht und er hat mit der Entladungskurve schon eine zusätzliche Vergleichsmöglichkeit, wie weit das Modell stimmt. Bei der Batterie ist schon von vornherein abzusehen, dass in dem Modell genauso ein konstanter Stromfluss entsteht wie im Experiment. \quoteon Ausserdem: Betrachte das Gedankenexperiment mit dem Anschliessen der Erde an die Schaltung in meiner Antwort an DerEinfaeltige. Wenn wir die Erde an eine der Kondensatorplatten - sagen wir die positiv geladene Platte, dh die mit Elektronenmangel - anschliessen würden, was würde passieren? Klar, aufgrund von elektrostatsicher Anziehung würden die Elektronen aus dem Reservoir der Erde diese positiv geladene Platte binnen Sekundenbruchteilen mit Elektronen versorgen, sodass die positive Lagung wieder neutralisiert ist. Würde man man den Stromkreis der Batterie mit Erde verbinden, würde nichts passieren, hmmm... Also ist die Natur der Batterie und des Kondensators im Hinblick auf die Erzeugung der elektrischen Batterie grundlegend unterschiedlich (auch schon allein, weil im Kondensator chemische Energie keine Rolle spielt) \quoteoff Da bin ich momentan soweit, wie ich den Anschluss an den Draht modellieren will: Ich nehme ein Teilchenpaar entlang des Drahtes her, und wenn dort ein zusätzliches Teilchen "-" ankommt, dann entferne ich es sofort, bevor es sich weiterbewegt, und wenn sich das schon vorhandene eine Teilchen "-" wegbewegen will, dann ergänze ich es sofort durch ein neues. Beim Versuch, Masse mit negativer oder positiver Platte zu verbinden, erhalte ich einen Widerspruch, den weiß ich noch nicht zu lösen. Beim Masseanschluss an den Draht reicht meine Vorstellung nicht, was dann passiert, das muss ich dann simulieren.


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StefanVogel
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  Beitrag No.9, eingetragen 2021-08-22

\quoteon(2021-08-21 14:28 - deSepp in Beitrag No. 6) https://matheplanet.com/matheplanet/nuke/html/uploads/b/54924_Earth.png Mit "Erde" meine ich im formalen Sinne ein Reservoir mit konstantem Potential überall, das ein unerschöpfliches Reservoir an Elektronen zur Verfügung hat, die es abgeben kann und gleichzeitig beliebig viele Elektronen aufnehmen kann, OHNE dass sich deren Potential ändert. Wenn wir dann davon ausgehen würden, dass einem Pol ständig Elektrodenüberschuss vorliegt, am anderen Pol Elektronenmangel, dann würden doch, sobald wir den Stromkreis mit Erde verbinden, die überschüssigen Elektronen an einem Pol von der Erde sofort absorbiert und der Elektronenmangel am anderen Pol von den Elektroen aus dem Reservoir der Erde via statischer Entladung aufgehoben werden. Anderseits beobachten wir in der Realität was anderes: Wenn wir die Erde wie oben an den Stomkreis anschliessen, ändert sich nichts. Wie lässt sich dieses Paradoxon auflösen? (dieses Paradoxon ist übrigens meine Motiation hinter dieser Frage) \quoteoff Dass sich da nichts ändert, dachte ich bis jetzt ebenfalls. Doch inzwischen finde ich das auch paradox. Ändert sich da wirklich nichts? Ist das so beobachtet worden, dass sich nichts ändert? EDIT: Gruselige Sachen habe ich beim googeln gefunden, lieber kein Link diesmal. Gesucht habe ich in Richtung "elektrisches Gerät ist ausgeschaltet und vom Stromnetz getrennt, im Inneren wegen einem Defekt an einer Stelle Kontakt des Stromkreises mit metallischen Gehäuseteilen". Antwort durchweg "Finger weg". Ob da tatsächlich in der konkreten Konstellation was passieren kann stand nicht dabei EDIT_END. Ich lasse mal das R auch noch weg und nehme gedanklich nur eine Spannungsquelle mit zwei vollkommen isolierten Anschlüssen. Dann verbinde ich zuerst den einen Anschluss mit Masse, dann löse ich den Anschluss und verbinde den anderen Anschluss mit Masse. Wenn die Spannungsquelle ein Kondensator ist, aufgeladen mit 10 Volt (indem ausreichend viele Landungsträger von der einen Platte auf die andere Platte gebracht wurden), dann müsste nach Verbinden des einen Anschlusses mit der Masse nur noch 5 V am Kondensator zu messen sein, und nach Trennen des einen und Verbinden des anderen Anschlusses mit der Masse nur noch 0 V Spannungsdifferenz zwischen beiden Platten. Wenn als Spannungsquelle eine Batterie genommen wird, auch da müsste sich was ändern: \quoteon(2021-08-20 21:24 - deSepp in Beitrag No. 2) Ja habe ich, allerdings hat es zu mehr Verwirrung als Lösung meines anliegens geführt. Stellvertretend dafür steht zum Beispiel die Erklärung hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemisches_Gleichgewicht#Beschreibung Es heisst dort: Der Elektronenfluss in einer galvanischen Zelle wird durch eine elektrische Spannung zwischen den Halbzellen hervorgerufen: In jeder Halbzelle treten durch die Phasengrenze fest/flüssig ständig Metallionen in beiden Richtungen hindurch. Überwiegt zunächst die Abgabe von Metallionen an die flüssige Phase, so lädt sich das Metall gegenüber der flüssigen Phase negativ auf. Diese Aufladung wirkt einem weiteren Übergang von positiven Metallionen in die flüssige Phase entgegen und führt zu einem Gleichgewicht. Pro Zeiteinheit treten gleich viele Ionen in beiden Richtungen durch die Phasengrenze. An der Phasengrenze entsteht eine elektrochemische Doppelschicht aus negativen und positiven Ladungsträgern. Walther Hermann Nernst beschrieb diese Vorgänge anschaulich als Gleichgewicht zwischen dem Lösungsdruck des Metalls und dem Abscheidungsdruck der Ionen. Nach der Einstellung des elektrochemischen Gleichgewichts sind die Elektroden unterschiedlicher Halbzellen verschieden aufgeladen, zwischen ihnen ist eine Spannung messbar. \quoteoff Bei der Batterie könnte es sein, wenn man den einen oder anderen Anschluss mit Masse verbindet, dass sich dann das elektrochemische Gleichgewicht verschiebt, also sich doch was ändert. Ausprobieren kann ich das nicht, aber den Kondensator muss ich versuchen (EDIT nur 5V), ob sich der entlädt. Das wäre eine neue Erkenntnis für mich.


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