Galvani und Volta 1. Ende des 18.Jahrhunderts

Galvani und Volta
Christina Zoth 28.10.2008
1. Ende des 18.Jahrhunderts
Geschichtlicher Überblick
–
Ende des 18. Jahrhundert war geprägt duch Kriegspolitik Napoleons
–
1789 Beginn der Französischen Revolution
1796 Italien unter französischer Herrschaft
1806 Napoleon wird König Italiens
–
–
–
–
–
–
–
–
Große Kluft zwischen Arm und Reich
Unzufriedenheit des Volkes führt in Frankreich zur Revolution
Zeitalter der Aufklärung
Gegenbewegung zur Vorherrschaft von Kirche und Krone
Entstehung vieler Universitäten
Beginn der Industriellen Revolution
Mechanik Ende des 18.Jahrhunderts
–
–
–
Mechanik ist ältestes Teilgebiet der Physik
Die wichtigsten Vertreter:
Galileo Galilei
Isaac Newton
Johannes Kepler
Die grundlegenden Gesetze sind vorhanden:
Gravitationsgesetz
Bewegungsgleichungen (Newton Axiome)
Keplergesetze
Elektrizität und Magnetismus Ende des 18. Jahrhunderts
1601 William Gilbert untersucht elektrische Aufladung verschiedener Materialien,
führt den Begriff 'Electrica' ein
1663 Otto von Guericke entwickelt Elektrisiermaschine
1733 entdeckt Charles du Fay die zwei Arten der Elektrizität
1745 Leidener Flasche
1752 Benjamin Franklin baut den ersten Blitzableiter
1785 Charles de Coulomb formuliert erstmals seine Beobachtungen (Kraft-AbstandGesetz)
–
–
–
Elektrizität hatte noch keinen Zusammenhang zum Magnetismus
Gelehrten suchen für alles mechanische Ursachen
man betrachtet Elektrizität als ein Fluid, welches den mechanischen
Gesetzmäßigkeiten unterliegt
1
–
–
einzige Stromquelle bis dahin ist die Elektrisiermaschine
einziger bekannter elektrischer Energiespeicher ist die Leidener Flasche
Elektrisiermaschine
–
–
–
Funktion beruht auf dem Prinzip der Ladungstrennung durch Reibung
Beim Reiben verteilen sich die Elektronen an den beiden Oberflächen unterschiedlich
stark
man kann nun entweder die positiven oder negativen Ladungen ableiten und
beispielsweise in Leidener Flaschen sammeln
Leidener Flasche
–
–
–
–
älteste Bauform des Kondensators mit Kapazität von ca. 5 nF
Glasflasche (Isolator) mit innen und außen aufgebrachten Metallschichten
anfangs Verwendung als Jahrmarktsattraktion zur Demonstration von Stromschlägen
eine der ersten Wissenschaftlichen Anwendungen durch Benjamin Franklin: Verbindet
Drachen mit Flasche um Ladung von Gewitterwolken einzufangen
2. Luigi Galvani
Biographie von Luigi Galvani
1737 Geboren am 9. September in Bologna, Italien
Medizinstudium auf Wunsch seiner Familie
1760 Heirat mit Lucia Galeazzi
1762 Professor für Medizin in Bologna
1775 Professor für Anatomie
1780 Entdeckung der 'tierischen Elektrizität', bedingt durch Überschlag elektrischer
Funken
1786 Entdeckung der 'tierischen Elektrizität', bedingt durch die Kontaktelektrizität von
Metallen
1790 Tod seiner Frau
1791 Veröffentlichung seiner Beobachtungen in dem Buch 'Abhandlung über die Kräfte
der tierischen Elektrizität auf die Bewegung der Muskeln'
1798 Suspendierung auf Grund seiner Verweigerung des Eides auf die neue Regierung
Italiens
1798 Tod in Bologna
1. Froschschenkel Versuch
–
–
Kontraktion der Muskeln, wenn Froschschenkel mit Messerklinge in Berührung steht
und in der Nähe eine Funkenmaschine betrieben wird
Galvani sieht Ursache in 'tierischer Elektrizität'
2
–
–
Konstruktion der ersten Antenne
erneute Versuche mit Gewitterblitzen
2. Froschschenkel Versuch
–
–
–
Kontraktion der Muskeln, wenn diese mit Kupfer und Eisen in Berührung kommen
(Kupfer und Eisen ebenfalls leitend verbunden)
stellt Galvanisches Element dar
Froschschenkel schlägt bei Stromfluß aus
Galvanisches Element
–
–
–
–
–
wandelt chemische in elektrische Energie um
dient als Gleichspannungsquelle
Aufbau aus zwei verschiedenen Metallen und einem Elektrolyt
Funktion beruht auf Redox-Reaktion
Reduktion und Oxidation laufen räumlich getrennt in 2 Halbzellen ab
die Halbzellen sind durch e- -Leiter und Ionenleiter verbunden
Beispiel Daniell-Element: Zink/Kupfer, liefert etwa 1,11 V
Reduktion des edleren Kupfers:
Cu2+ + 2e- → Cu
Oxidation des unedlen Zinks:
Zn → Zn2+ + 2 e-
3. Alessandro Volta
Biographie von Alessandro Volta
1745 Geboren am 18. Februar in Como, Italien
1758-1760 Besuch einer Jesuitenschule
nebenbei Selbststudium der Elektrizität und Korrespondenz mit anderen Gelehrten
1769 erste physikalische Veröffentlichung 'De vi attractiva ignis electrici'
1774 Volta wird Physiklehrer an der staatlichen Schule in Como
1775 wachsende Bekanntheit durch Erfindung des Elektrophors
1776 Entwicklung der Volta Pistole → Eudiometer
1778 Physik Professor an der Universität Pavia
1783 Verbesserung des Elektroskops und Einführung eigener Spannungseinheiten
Formulierung der Proportionalität von Spannung und Ladung im Kondensator
1791 Volta wird zum Mitglied der Londoner Royal Society ernannt
1792 Volta erfährt von den Froschexperimenten Galvanis und dessen Interpretation →
Volta sieht andere Ursache in Muskelzuckungen wie Galvani
Interesse an Kontaktelektrizität geweckt, fängt mit Untersuchungen an
1794 Verleihung der Copley Medallie
1794 Heirat mit Teresa Peregrini
1795 Spannungsreihe der Metalle
1800 Konstruktion der ersten Voltasäule (→ Batterie)
1801 Reise nach Paris, wo er Napoleon seine Batterie vorführt
3
1802 Erhalt der Ehrenmedallie in Gold von dem Institut de France und eine Pension von
Napoleon
1809 Napoleon ernennt Volta zum Senator
1810 Napoleon ernennt Volta in den Grafenstand
1813 Ernennung zum Dekan der philosophischen Fakultät in Pavia
1819 Volta emeritiert
1827 Tod in Camnago
1897 höchste Auszeichnung, die ein Physiker erhalten kann:
Volt als Maßeinheit für die elektrische Spannung
Das Elektrophor
–
–
–
Gerät zur Trennung elektrischer Ladungen (→ el. Spannung) mit Hilfe von Influenz
besteht aus Metallteller mit isoliertem Griff und einem 'Kuchen'
unendlich oft durchführbar, da die Ladungen des Kuchens nicht abgeleitet wird,
sondern nur für den Vorgang der Influenz benötigt wird
Das Elektroskop
–
–
–
–
1783 verbesserte Volta das Elektroskop
Gerät zum Nachweis elektrischer Ladungen oder Spannungen
Nach Voltas Verbesserung sind nun auch kleine Elektrizitätsmengen meßbar
Funtionsweise beruht auf der Abstoßung gleicher Ladungen
Proportionalität von Spannung und Ladung
nach seiner Verbesserung des Elektroskops, war es Volta erstmals möglich die Relationen
zwischen Spannung und Ladung in einem Kondensator genau zu messen:
– Entnimmt man Ladungen, sinkt die Spannung proportional ab
– Proportionalitätskonstante ist die Kapazität des Kondensators → Q = C⋅U
Spannungsreihe der Metalle
–
–
–
–
Metalle unterscheiden sich in ihrer Bereitschaft e- abzugeben oder aufzunehmen
Edelmetalle:
positives Standardpotential → geringe Bereitschaft e- abzugeben
unedle Metalle:
negatives Standardpotential → große Bereitschaft e- abzugeben
Kombination zweier verschiedener Metalle führt zur e- -Übergang vom unedlen zum
edleren Metall
4
Voltas Kontroverse mit Galvani
–
–
–
–
–
–
–
–
–
1780 Galvani entdeckt die 'tierische Elektrizität'
1791 Veröffentlichung seiner Beobachtungen in dem Buch 'Abhandlung über die Kräfte
der tierischen Elektrizität auf die Bewegung der Muskeln'
These wurden von anderen Gelehrten vorerst bestätigt
1792 erfährt Alessandro Volta von Galvani's Froschxperimenten, sieht jedoch eine
andere Ursache in den Muskelzuckungen als Galvani
Galvani ist der Meinung, dass Elektrizität in Muskeln und Nerven des Frosches
gespeichert ist und somit eine Leidener Flasche darstellen
Volta sieht die Ursache in einer Kontaktelektrizität der Metalle. Für ihn ist der Frosch
lediglich ein Anzeigeinstrument.
Es kommt zu einem Streit um die korrekte Deutung, der Europas Wissenschaftler in
zwei Lager teilt (Voltaisten und Galvanisten)
Streit wird auch nach Galvanis Tod 1798 weitergeführt
1800 findet Volta den Beweis für seine These und beendet den Streit
Die Voltasäule
–
–
–
–
–
Vorläufer der heutigen Batterie
bringt um 1800 ~25V
Aufbau:
besteht aus vielen hintereinander geschalteten Galvanischen Elementen, abwechselnd
Kupferplatte – Elektrolytschicht – Zinkplatte – Elektrolyt ...
Beispiel für verwendete Elektrolyte:
in Salzlake oder Wasser getränkte Leder oder Stoffstücke
Funktionsweise:
siehe Galvanisches Element
zwischen die Enden der Voltasäule werden mit einem Draht die Verbraucher
angeschlossen werden
4. Bedeutung heute
Die Bedeutung Galvanis heute
–
–
Kontrollierte Prozesse: Galvanische Abscheidung / Galvanotechnik
Verzinken (oft mit Zinkcyanid Zn(CN)2)
Verchromen (oft auf Chromsäurebasis H2CrO4)
Verkupfern
Unkontrollierte Prozesse: Galvanische Korrosion
Überall da wo verschiedene Materialien in ”leitender Umgebung” (Elektrolyt)
vorkommen
Betrifft Gebäude (Stahlbeton) bis Mikroelektronik
5
Galvanotechnik
–
–
–
–
soll primär Metalle gegen Umwelteinflüsse und Korrosion schützen
bringt eine dünne metallische Schutzschicht auf die zu schützenden Gegenstände auf
Schaden durch Korrosion in Deutschland 25 Milliarden € jährlich
1€ in galvanischen Oberflächenschutz investiert spart bis zu 300€ Korrosionsschäden
Prinzip
– durch ein elektrolytisches Bad wird Strom geschickt
– das zu beschichtende Werkstück ist der Minuspol (Kathode)
– das Metall des Pluspols (Anode) liefert das Material für die abzuscheidende Schicht
– der elektrische Strom löst Metallionen von der Anode ab und lagert sie auf dem
Werkstück (Kathode) ab
Ressourcen / Umwelt
weniger Metall geht durch Korrosion verloren
– nur sehr dünne Schutzschichten (im µm-Bereich) werden benötigt,
z.B. können mit 1kg Zink 1000kg Schrauben verzinkt werden
– Problem:
die Galvanisierung von großen Werkstücken (z.B. Rohre) erfordert große Mengen an
galvanischen Bädern
die umweltgerechte Entsorgung dieser Bäder ist ein sehr wichtiger Aspekt der
Galvanotechnik
in Deutschland haben galvanische Betriebe geschlossene Abwassersysteme
(gilt leider nicht überall in "Billiglohnländern")
–
Galvanische Korrosion
–
–
–
–
Galvanische Korrosion ist ein wichtiger Korrrosionsmechanismus
tritt auf bei Kontakt verschiedener Metalle (allgemeiner: bei inhomogenen,
elektrochemisch verschiedenen Stoffsystemen)
Feuchtigkeit übernimmt die Rolle des Elektrolyten
das unedlere Metall wirkt als Anode → "geht in Lösung" = korrodiert
Die Geschichte der Batterie
1800
1802
1812
1836
1859
1860
1865
1875
1892
Alessandro Volta baut die Volta Säule
Johann Wilhelm Ritter baut die Ritter Säule, Urform des Akkumulators
Giuseppe Zamboni baut erste Hochspannungsbatterie
John Frederic Daniell baut Daniell-Element
Gaston Planté baut erste wiederaufladbare Bleibatterie, die 1881 von
Henri Tudor die typische Kastenform erhält
Einführung der Alkali Batterie
Georges Leclanché baut erste Trockenbatterie
Weiterentwicklung des Leclanché Elements zur Alkali-Mangan Batterie
baut Weston das erste Quecksilber Cadmium Element
es folgen viele verschiedene Zellen
6
1904 werden erstmals Batterieanlagen für U-Boote hergestellt
1991 Sony bringt die ersten Lithium-Ionen-Akkus auf den Markt
Die Batterie
Begriff 'Batterie' bedeutet eine Zusammenschaltung mehrerer Galvanischer Elemente
– es wird chemische in elektrische Energie umgewandelt
– man unterscheidet Primär- und Sekundärzellen
– Primärzellen:
nicht wiederaufladbar
Heute: Trockenbatterien
– Sekundärzellen
Akkumulatoren, also wiederaufladbar
Akkumulator, kurz Akku
– Speicher für elektrische Energie
– besteht aus in Reihe geschalteten Sekundärzellen
– Sekundärzelle stellt Galvanisches Element dar, bei der sich die chemischen Vorgänge
bei der Entladung durch Stromzufuhr rückgängig machen lassen
Es gibt viele verschiedene Batteriearten und -formen:
Knopfzellen (Uhren, Hörgeräte)
– Gerätebatterien (Taschenlampe, mp3-Player)
– Starterbatterien (Autos)
– Traktionsbatterien (elektrisch angetriebene Autos, Wohnwagen)
–
Batterien in der Zukunft
–
–
–
–
–
–
–
Lithium-Ionen-Akkus werden in Zukunft immer wichtiger werden
haben bereits jetzt viele andere Modelle abgelöst
werden z.B. auch in der zukünftigen Fahrzeugindustrie nicht mehr wegzudenken sein
In vielen verschiedenen Größen und Leistungen erhältlich
Erzeugung der elektromotorischen Kraft durch die Verschiebung von Lithium Ionen
Vorteile
Lange Lebensdauer
Leichter im Vergleich zu Blei Akkumulatoren (Autos)Geringe Selbstentladung
Kein Memory-Effekt
Anwendungen
Kleingeräte
Hybridfahrzeuge
Elektrowerkzeug
7
5. Quellen
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Chemie, Charles E. Mortimer, Georg Thieme Velag Stuttgart, 1996
Gerthsen Physik, Christian Gerthsen, Springer Berlin, 2002
Luigi Galvani International Workshop Proceedings, Università di Bologna, 1998
Volta Science and Culture in the Age of Enlightenment, Giuliano Pancaldi, Princeton
University Press, 2003
www.wikipedia.de
www.physikfuerkids.de
www.buch-der-synergie.de
www.uniregensburg.de/Fakultaeten/phil_Fak_I/Philosophie/Wissenschaftsgeschichte/Termine/E
-Maschinen-Lexikon/
www.korrosion-online.de
8