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Die elektromotorische Kraft als Spannungserzeuger

Die elektromotorische Kraft als Spannungserzeuger

Ein Elektromotor oder Generator ist kompliziert aufgebaut. Er enthält elektrische Leiter und Magnetfelder, um die elektrische Spannung und Gleichstrom zu erzeugen, und zwar umso mehr, je schneller die Bewegung erfolgt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die elektromotorische Kraft, die im Elektromotor dann als sogenannte Gegen-EMK oder Quellenspannung fungiert. Dadurch kann bei einem Motor mit Gleichstrom die Grenzdrehzahl für eine benötigte Spannung errechnet werden. Diese Kraft wirkt auch in den Spulen elektrodynamischer Lautsprecher, um eine bessere Dämpfung zu erzielen und ein Nachschwingen zu verhindern.

Was ist elektromotorische Kraft und welche Rolle spielt sie für die elektrische Spannung?

Unter der elektromotorischen Kraft, die mit EMK abgekürzt wird, wird die Urspannung verstanden, die mit der Fähigkeit eines Systems zusammenhängt, eine Spannung zu erzeugen. Es handelt sich um eine veraltete Bezeichnung für die Quellenspannung, wobei mit letzterer heutzutage die Gegen-EMK gemeint ist.

Die elektromotorische Kraft hat einen direkten Bezug auf die Induktionsspannung bei elektrischen Geräten, Generatoren und Elektromotoren und auf galvanische Zellen. Dabei geht es nicht um die Kraftmessung in einem physikalischen Sinn, sondern um das Erfassen der elektrischen Spannung. Die Quellen- oder Klemmenspannung kann so stromlos gemessen werden. Die Gegeninduktionsspannung wiederum ist eine entscheidende Kenngrösse für Antriebe und Elektromotoren. Es gibt auch elektromotorische Kraft bei organischen Säuren und Basen, die sich über ein elektroanalytisches Verfahren ohne Stromfluss erfassen lässt. Bei Säuren und Basen ist das mittels der Potentiometrie möglich, die eine typische Konzentrationsabhängigkeit der EMK nutzt.

Was ist eine galvanische Zelle bei Elektroden?

Galvanische Elemente oder auch eine Kette erlauben die direkte Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wie du es von einer Batterie oder einem Akku kennst. Dabei spielt die Kombination aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten eine Rolle, die die galvanische Zelle bildet und als Spannungsquellen fungiert. Gemessen wird sie durch die Entladungsstromstärke mal die Zeit. Die Zellen werden auf folgende Weise unterteilt:

  • Primärzellen (Batterie zur einmaligen Aufladung der Zelle mit nicht mehr umkehrbarer Entladung)
  • Sekundärzellen (Akkumulator oder Akku, der Zellen durch eine gegenläufige Stromrichtung neu aufladen kann)
  • Brennstoffzellen (Tertiärzellen, bei denen der chemische Energieträger von aussen zur Verfügung und nicht innerhalb der Zelle gestellt wird)

Was ist das Daniell Element?

Das Daniell Element besteht aus einem Stab und Halbleiter aus Zink und Kupfer und ist die historische Version einer galvanischen oder elektrochemischen Zelle. Der Stab wird in eine Lösung aus Zinksalz getaucht, während gleichzeitig ein Stab aus Kupfer in Kupfersalz gehalten wird. Mit einem Stromschlüssel werden beide Halbzellen, die Elektrolyten enthalten, zu einer galvanischen Zelle zusammengefügt.

Verbindest du Kupfer und Zink, fliesst elektrischer Strom. Das liegt daran, dass Zink ein niedrigeres Potential an elektrischer Spannung als Kupfer hat, während sein Lösungsdruck grösser ist. An einem Zinkstab gehen dann mehr Zinkionen in die Lösung über als Kupferionen am Kupferstab. Gelöste Kupferionen nehmen die Elektronen auf und lagern sich an der Kathode ab. Gleiches geschieht mit Zink an der Anode. Die verschiedene negative Ladung ermöglicht den Aufbau der elektrischen Spannung. Das Kupfer durchläuft eine Reduktion, das Zink eine Oxidation. Das Ergebnis ist eine Redox-Reaktion. Die elektromotorische Kraft bestimmt die Verbindung zwischen zwei Metallen und einem metallischen Leiter, um Strom zu erzeugen.

Was sind die Grundlagen der elektromotorischen Kraft?

Als Gegen-EMK wirkt die so erzeugte Spannung als vom Motor induzierte Drehung und als Stromfluss, der dem Motor entgegenwirkt. Bei einem Generator nennt sich die elektromotorische Kraft Leerlaufspannung. Bei einer Potentialdifferenz, die zwischen zwei Elektroden einer elektrochemischen Zelle eine Rolle spielt, bildet die EMK ebenfalls einen Teil der Berechnung. Sie wird mit dem Symbol ΔE angegeben und in der Einheit Volt berechnet. Nur durch die Grundlagen der elektromotorischen Kraft sind galvanische Zellen und Elemente in der Lage, eine bestimmte elektrische Funktion zu erfüllen. Sie ist das Mass für jede dort verlaufende Triebkraft und Reaktion.

Wie wird die elektromotorische Kraft berechnet?

Die EMK eines galvanischen Elements ergibt sich aus der Differenz zwischen zwei Halbzellenpotentialen, die wiederum durch die jeweilige Redox-Reaktion bestimmt wird. Bei letzterer handelt es sich um eine Reaktion aus Reduktion und Oxidation, wie es im Beispiel mit dem Zink- und Kupferstab schon gezeigt wurde. Dabei wird die Elektronenanzahl der Reaktionspartner auf den jeweils anderen übertragen. Viele Stoffwechselvorgänge erzeugen die Reaktion bei einer Übertragung der Elektronen.

Was geschieht bei einer Redox-Reaktion mit den Elektronen?

Im Verlauf einer Redox-Reaktion reagieren zwei Stoffe im Gleichgewicht aufeinander, wobei der eine Elektronen abgibt und der andere Elektronen aufnimmt. Die Abgabe wird Reduktion genannt, die Aufnahme Oxidation. Dieser Vorgang wird durch den chemischen Prozess der Elektrolyse ermöglicht, bei dem elektrischer Strom eine Redox-Reaktion erzwingt.

Wo finden Redox-Reaktionen im Alltag statt?

Neben der Elektrolyse gibt es auch grosstechnische Redox-Vorgänge, die vor allen Dingen in der Industrie und in Kraftwerken die Grundlagen wichtiger Produktionsprozesse bilden und die Eigenschaften von Stoffen für die Energieerzeugung nutzen. Das betrifft besonders die Verbrennung fossiler Brennstoffe und Energieträger, darunter Kohle, Erdgas oder Erdöl, wobei durch die Verbrennung elektrische Energie erzeugt wird.

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