Laden und Entladen von Akkumulatoren
(Wiederholung aus der 6. Klasse, passt aber bestens in diesen Lernpfad ;-))
Fachbezug
Elektrische Energie, Wirkungsgrad, Lade- und Entladezeiten. Strom, Spannung, Innenwiderstand, elektrische Arbeit und Leistung.
Akkumulatoren dienen dazu, elektrische Energie wirkungsvoll zu speichern: Beim Laden eines Akkumulators wird elektrische Energie durch elektrochemische Prozesse in chemische Energie umgewandelt. Diese wird frei, wenn die Pole eines Akkumulators mit einander leitend verbunden werden. Für die "Betriebszeit" des Akkumulators ist der Innenwiderstand des angeschlossenen Verbrauchers entscheidend; bei Verbrauchern mit hoher Stromdichte oder bei Kurzschluss bestimmt der Innenwiderstand des Akkumulators die auftretende Stromstärke.
Aufgaben
Bei den folgenden Aufgaben berechnest du - ausgehend von den Grundlagen - typische elektrische Größen. Dabei sollen Situationen behandelt werden, die dir vom Alltag her bekannt sind...
Du kannst diese Seiten auch ausdrucken und die leeren Stellen in den Tabellen ausfüllen. Leite in deinem Heft alle notwendigen und wichtigen Formeln her! Schreib für alle Berechnungen zunächst die entsprechenden Formeln an, setze ein und berechne dann das Ergebnis mit dem Taschenrechner!
Aufgabe: Elektrische Stromstärke I und Ladungsmenge Q
Berechne: Je mehr Ladungsträger fließen, desto höher ist die elektrische Stromstärke. Die elektrische Stromstärke ist zur Ladungsmenge proportional:
I = k . Δ Q (I ... elektrische Stromstärke, Q ... elektrische Ladung)
Die elektrische Stromstärke ist umso größer, je kürzer die dazu benötigte Zeit ist. Die Stromstärke ist zur Zeit indirekt proportional:
I = k . Δ Q / Δ t (t ... Zeitdauer, in der der Strom fließt)
Die Einheit für die elektrische Ladung wurde so gewählt, dass der Proportionalitätsfaktor k den Wert 1 annimmt (k = 1). Die Einheit für die elektrische S tromstärke ist das Ampere (A).
I = Δ Q / Δ t
Berechne nun die elektrische Stromstärke I mit dem folgenden Formular (Tipp):
Berechne die elektrische Stromstärke:
| Objekt | Ladungsmenge (in C = As) | Zeitdauer (in s) | Elektrische Stromstärke (in A) |
|---|---|---|---|
| Gewitterblitz | 5 | 10-4 | |
| Autobatterie | 60 Ah = 60 * 3600 | 20 * 60 | |
| Ni-MH-Akku | 3000 mAh = 3 * 3600 | 0,5 h = 30 * 60 |
Beachte, dass eine Batterie "entladen" ist, wenn etwa 50% der Gesamtenergie umgesetzt wurde.
Aufgabe: Ladezeiten berechnen
Umgekehrt berechnest du auch die Ladezeiten für Akkus, wenn du ihre "Kapazität" (= Ladungsmenge, oft in mAh = 0,001A * 3600s angegeben) und den "Ladestrom" (in A, oder mA = 0,001 A) kennst...(Tipp):
Berechne die Ladezeiten:
| Objekt | Kapazität (in As) | Ladestrom (in A) | Ladezeit (in s) | Ladezeit (in h) |
|---|---|---|---|---|
| Ni-Cd | 1000 mAh = 1 * 3600 | 100mA = 0,1 | ||
| Blei-Akku | 30 Ah = 30 * 3600 | 40 | ||
| Ni-MH | 4000 mAh = 4 * 3600 | 300 mA = 0,3 |
Bemerkung:
- Ni-Cadmium Akkus enthälten das giftige Metall Cadmium; daher wird zur Zeit ein Verbot von Ni-Cd-Batterien diskutiert.
- Der so genannte Memory-Effekt bewirkt, dass bei einer Teilentladung die Energie immer geringer wird, die aus dem Akku entnommen werden kann.
Aufgabe: Kapazit&aum;t von Akkumulatoren
Die "im Akku gespeicherte Ladungsmenge" sollte besser als "gespeicherte Energie" verstanden werden. Beim Entladen des Akkus kann bis zu 50% der gespeicherten Energie entnommen werden. Aus der elektrischen Stromstärke I und aus der Entladezeit t kann jedenfalls auf die dabei umgesetzte Ladungsmenge rechnen (Tipp).
Berechne die Ladungsmengen (Kapazitäten):
| Objekt | Lade-/Entladestrom I (in A) | Lade-/Entladezeit t (in s) | Kapazität (in As = C) | Kapazität (in mAh) |
|---|---|---|---|---|
| AA-Akku | 0,2 | 0,5 h = 1800 |
Aktivitäten
- Berechne die Ladeströme ("Stromstärke") und die Lade/Entladezeiten für die hier angegebenen elektrischen Komponenten!
- Suche Informationen nach anderen Batterien und verfahre wie oben...
- Recherchiere die Funktionsweise von aufladbaren Batterien!
- Eine einzelne Zelle liefert (unter Belastung) beispielsweise eine Batteriespannung von 1,2 V. Aus wie vielen Zellen muss ein "Akku-Pack" aufgebaut sein, damit damit eine Spannung von 9,6 V erzeugt werden kann?
- Berechne die Kapazität verschiedener Akkumulatoren aus Ladezeit t und Ladestromstärke I!
Physlet® - Davidson-College, W.Christian, M.Belloni, P.Krahmer et.al.