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Infoboxen Oxidation Die Zinkbausteine werden oxidiert und gehen als positiv geladene Teilchen in die Lösung über: Dabei gibt die Zinkelektrode negative Ladungen ab – die Elektronen. Diese können elektrische Arbeit über den äußeren Stromkreis verrichten, der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Metallen. Weil das Zink dabei aber so viel positive Ladung „verschenkt“, lädt sich der Nagel negativ auf. Reduktion Der Kupfernagel sammelt über den äußeren Stromkreis dagegen ständig Elektronen ein. Die positiv geladenen Säureprotonen im Zitronensaft ziehen diese Elektronen an und neutralisieren sie zu Wasserstoff, der entweicht. Das Kupfer lädt sich dabei positiv auf und die Säure wird bei diesem Aufladevorgang „verbraucht“. Ladungstausch Die beiden verschiedenen Ladungen wollen sich ausgleichen. Wird außen ein Verbraucher angeschlossen, zum Beispiel eine Glühlampe, wandern Elektronen über diese Brücke vom Zinkzum Kupfernagel – vom Minus- zum Pluspol. In der Zitrone wandern dagegen positive Ladungen: Ionen aus dem Zink in den Elektrolyten und dessen Protonen zum Kupfer. Die Bausteine Ohne äußeren Verbraucher sind die Ladungen im Gleichgewicht. Der Kupferdraht ist „satt“ an Elektronen, der Zinknagel liefert keine neuen nach – bis der Schalter kippt: Ein äußeres Gerät zieht Energie ab. Die chemische Reaktion kommt in Gang. Sie läuft und läuft und läuft – bis man ausschaltet oder bis der Zinknagel aufgelöst ist beziehungsweise die Protonen verbraucht sind. So laden sie auf Geht das Ganze auch umgekehrt? Kann man von außen neue Energie in die Batterie bringen? Das geht – zumindest bei speziellen Batterien. Elektrolyse heißt dieser umgekehrte Prozess. Dabei zwingt ein äußerer elektrischer Strom die Entladungsreaktionen in die Gegenrichtung. Bei der Zitronenbatterie allerdings ist nach einmal Entladen Schluss. Infoboxen Anode Auf Griechisch sind an der Anode negative Ladungen wörtlich „nach oben unterwegs“: Der Zinkpol leitet negative Ladung nach außen ab – und gibt zugleich positiv geladene Zink-Ionen die Elektrolytlösung nach. Kathode An der Kathode „steigen“ griechisch wörtlich Elektronen „hinab“: Der Kupferpol nimmt negative Ladungen von außen auf und gibt sie wieder zurück an die Protonen, an die positiven Teilchen in der Batterieflüssigkeit. Elektrolyt Fachleute nennen eine Flüssigkeit mit frei beweglichen Ladungen Elektrolyt. In reinem Wasser sind keine Ladungen unterwegs: Reines Wasser leitet nicht. Das tut es erst, wenn darin Stoffe gelöst sind: beim Zitronensaft die positiv geladenen Teilchen der Säure, die Protonen. Separator Der Separator trennt die beiden Pole, damit es in der Batterie keinen „Kurzen“ gibt. Elektronen kommen nicht durch, positive Ladungen, die Ionen, aber schon. Die Zitrusbatterie hat gleich mehrere Separatoren: die Häutchen zwischen den Fruchtfleischkammern. 16 Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie
Das Wichtigste ganz kurz Das System Batterie In allen Batterien findet eine chemische Reaktion statt. Zwei Materialien tauschen Ladungen aus. Auch die Bausteine sind immer gleich. Es gibt die zwei Elektroden: Die Anode, die Elektronen nach außen abgibt, und die Kathode, die Elektronen von außen holt. Innerhalb der Batterie leitet ein Elektrolyt die positiven Ladungen. Damit wirklich ein Stromkreis entsteht und Anode und Kathode nicht direkt miteinander reagieren, sind sie durch einen Separator getrennt. Die Bunte Welt der Batterie Wenn sich doch alles gleicht – warum dann überhaupt verschiedene Batterien? Unterschiedliche Elemente und Materialien reagieren verschieden miteinander. Je nachdem, woraus die einzelnen Bausteine der Batterie bestehen, ändern sich ihre Eigenschaften: Sie leisten anderes, sie arbeiten unter anderen Bedingungen oder sie „leben“ unterschiedlich lang. Heute gibt es ein ganzes Arsenal verschiedener Batterien – jede kann etwas anderes gut und jede hat ihr eigenes Zipperlein. Systeme Die Welt der Batterien Die ideale Batterie ist klein und leicht. Sie lässt sich preisgünstig herstellen und speichert möglichst viel Energie. Die gibt sie nicht nur einmal ab, sondern sie lässt sich immer wieder aufladen und das möglichst jahrelang, am besten sogar ohne jeden Verlust an Speichervermögen. Sie arbeitet bei Hitze, aber auch wenn es friert. Wartung natürlich überflüssig. All das leisten Batterien – jeder Typ kann etwas anderes besonders gut. Ex und hopp! Oder zurück auf los? Manche Batterien spulen ihre chemische Reaktion einmal komplett ab, dann ist Schluss – wie beim Zitronenmodell. Sie heißen primäre Batterien. Sekundäre Batterien, Akkus, holen sich verbrauchte Energie zurück. Dazu wird eine umgekehrte Außenspannung gebraucht: Dabei läuft die chemische Reaktion quasi rückwärts ab. Die Batterie kehrt in ihren Ursprungszustand zurück. Infoboxen Zink-Kohle – Die Spielzeugbatterie Alkali-Mangan – Die Alltags-Konkurrenz Nickel-Cadmium – Das standhafte PowerPack Blei – Der Auto-Klassiker Natrium-Nickelchlorid – Die tierisch Heiße Nickel-Metallhydrid – Das Übergangsmodell Lithium-Ionen – Die Zukunftsträchtige Zink-Kohle-Batterie Kleine Taschenlampe, brenn – Die Spielzeugbatterie Mit ihr brummen Teddys, klingeln Wecker, leuchten Taschenlampen oder fahren Autos – Letzteres allerdings nur in Miniaturformat: Die Zink-Kohle-Batterie ist die ideale Spielzeugbatterie. Einmal leer, wirft man sie weg. Sie ist gut geeignet für nur zeitweise genutzte Geräte, die wenig Strom verbrauchen. Und sie lässt sich preiswert herstellen. Allerdings ist sie anfällig auszulaufen. Heute wird sie daher oft durch die Alkali-Mangan-Batterie ersetzt. Infoboxen Die Anode Die negative Elektrode ist ein Becher aus Zink: Beim Kontakt mit Salmiak-Lösung (Elektrolyt) löst er sich auf. Die Zinkatome stoßen negative Ladungen ab und gehen dann als positive Teilchen in die Lösung. Deswegen bekommen diese Batterien oft ein Leck. Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie 17
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