Kochsalz - Akku: Klärungen

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... erforsche: Untersuche mit dieser Animation, wie dein Salzwasserakku funktioniert!

Klärungen: Was passiert im Kochsalz - Akku?

Was ist elektrischer Strom? Der elektrische Strom ist die gerichtete Verschiebung von elektrischer Ladung. Die Träger der Ladung sind Elektronen, z. B. in einem Metall oder im Vakuum. Die Ladungsträger können aber auch Ionen sein, z. B. in einem Elektrolyten wie Salzwasser. Zu den Wirkungen des Stromes zählen thermische, magnetische und auch chemische Wirkungen sowie Leuchterscheinungen in Gasen.
Wie fliesst Strom? In Physik und Technik wird die Stromrichtung als die Richtung definiert, in der elektrischer Strom vom Pluspol zum Minuspol (rote Pfeile) fliesst. Innerhalb der Strom- oder Spannungsquellen dagegen, fliesst der Elektronenstrom vom Minus- zum Pluspol (grüne Pfeile).
	Zur Darstellung: Stromkreis mit Ionen- und Elektronenleitung in einer Reihenschaltung bestehend aus Batterie (Spannungsquelle), Ionenleiter (Elektrolyt; Salzlösung in einem Gefäss) und Glühlampe (durch den Stromfluss zum Glühen gebracht). Mit roten Pfeilen ist die Richtung des elektrischen Stroms (= „technische Stromrichtung“) eingetragen. Grüne Pfeile markieren die innere Strömungsrichtung der negativ geladenen Ladungsträger. Im Metalldraht sind dies Elektronen, in der Salzlösung sind es Ionen.
In der Folge beschränken wir uns auf die innere Strömungsrichtung der Elektronen (grüne Pfeile).
Wann und warum fliesst Strom? An jeder Batterie (Spannungsquelle) gibt es einen Punkt, an dem ein Mangel an Elektronen erzeugt wird, den (+) Pluspol. Am (-) Minuspol dagegen hat es einen Überschuss an Elektronen. Die Elektronen sitzen darum beim Minuspol sehr „lose“ und möchten diesen Unterschied in der Ladung (Spannung) am liebsten sofort ausgleichen (neutralisieren), indem sie zum (+) Pluspol wandern. In der Batterie (Spannungsquelle) können sie das nicht, denn der Abstand zwischen Minus- und Pluspol ist zu gross und die Luft bildet einen zu grossen Widerstand. Sobald wir aber die beiden Pole mit einem Leiter verbinden, kommt es zum sofortigen Ausgleich – z. B. bei einem Kurzschluss – und die Spannung ist in kürzester Zeit abgebaut, die Batterie ist „leer“. Beide Pole haben jetzt die gleiche Ladung, sie sind zueinander neutral, es gibt keine Spannung mehr... und es fliesst auch kein Strom mehr... Das Prinzip, warum Strom fliesst, basiert also auf der Eigenschaft, dass Elektronen immer nach einem neutralen, ausgeglichenen Zustand streben. Die Stromstärke bemisst sich dabei in der Anzahl Teilchen, die sich gleichzeitig durch einen Leiter bewegen.
Warum bringt Strom eine Lampe zum Leuchten? Wie aber kann die Bewegung der Elektronen eine Lampe zum Leuchten bringen? In einem Stromkreis wird die elektrische Energie von der Batterie (Spannungsquelle) zum „Verbraucher“, hier zur Lampe transportiert und in Licht umgewandelt. Der feine Draht in der Glühbirne bildet auf dem Weg der Elektronen ein Hindernis (Widerstand). Sie stauen sich am "Eingang" zum Draht, müssen aber schliesslich doch hindurch. Dabei reiben sie aneinander und ein Teil ihrer elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt. Der Draht in der Glühbirne gibt einen Teil dieser Energie auch in Form von Glühen und Licht weiter.
Für die elektrische Energie gilt, wie für jede andere Energieform auch, der „Energieerhaltungssatz“. In unserem Falle bedeutet dies: Geräte, die wir mit Strom betreiben, „verbrauchen“ zwar die „elektrische Form“ der Energie, nicht aber die Energie selber. Die Energie wird nicht verbraucht, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt, wie z. B. in Licht- Wärme- oder Bewegungsenergie...
Warum bringt Strom einen Elektromotor zum Drehen? Wenn elektrischer Strom fliesst, bildet sich um den Leiter herum, wie eine Hülle, ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist die Grundlage für den Elektromagneten, welcher zusammen mit dem Unterbrecher das Herzstück von jedem Elektromotor bildet. Im Lernanlass: „Vom Dauermagnet zum Elektromotor“ wird der Zusammenhang zwischen diesem Magnetfeld und dem Funktionieren eines Elektromotors schrittweise mit dem Bau von drei Objekten begreifbar gemacht. Und als viertes Objekt baut dann jedes Kind auch noch seinen eigenen Elektromotor!
Was klärt das für den explore-it Kochsalz-Akku? Der Kochsalz-Akku funktioniert ähnlich wie eine aufladbare Spannungsquelle (Batterie). Er besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Grafitstab, Aluminiumhülle und Salzwasser als Elektrolyt. Das Vlies verhindert, dass Grafitstab und Aluminiumhülle direkten Kontakt haben, aber ermöglicht weiterhin, dass die Ionen im Salzwasser zwischen Grafitstab und Aluminiumhülle frei zirkulieren können und so bilden sich, unter dem Einfluss von Strom, auch chemische Reaktionen in der Plastikdose.
	Beim Verbinden der Spannungsquelle (Batterie) mit Aluminiumhülle und Grafitstab, wird ein Stromkreislauf geschlossen. Durch den Stromfluss werden chemische Prozesse in Gang gesetzt, in deren Verlauf sich an der Aluminiumhülle ein Überschuss an Elektronen bildet. Dadurch wird eine Spannung zwischen Aluminiumhülle (diese wird zum Minuspol) und Grafitstab (dieser wird zum Pluspol) aufgebaut.
	Ausdruck der chemischen Reaktionen sind die Bildung von Bläschen an der Aluminiumhülle, der Geruch von Gasen und leichte Verfärbungen am Aluminium und im Salzwasser. Die elektrische Spannung zwischen Aluminiumhülle und Grafitstab wird um so grösser, je grösser der Überschuss an Elektronen an der Aluminiumhülle  (Minuspol), resp. je grösser der relative Mangel an Elektronen am Grafitstab (Pluspol) wird. Das Vlies verhindert, dass durch direkten Kontakt von Aluminium und Grafitstab die ungleiche Verteilung von Elektronen (Spannung) sofort wieder ausgeglichen wird.
	Nach dem Aufladen verhält sich unser Kochsalz-Akku wie eine „Batterie“. Und in dem oben abgebildeten Stromkreis wird die elektrische Energie von der Spannungsquelle (dem Kochsalz-Akku) zum „Verbraucher“, der Leuchtdiode (LED) transportiert und in Licht umgewandelt. Die LED (Light Emitting Diode) verrät uns aber, im Gegensatz zum Elektromotor, in welche Richtung die Elektronen fliessen. Denn die Leuchtdiode ist, wie der Name sagt, eine Diode. Und Dioden lassen den Strom nur in der Richtung von Anode (+; langes Bein) zu Kathode (-) passieren.
Das Besondere an unserer Kochsalz-„Batterie“ aber ist, dass sie viele Male und schnell wieder aufgeladen werden kann und darum spricht man von einem Akkumulator – etwas, das Elektronen akkumulieren kann, bis man sie abruft...
	Übrigens – der Energiewandler funktioniert auch bestens in den Ferien, mit Meerwasser !
Zur Batterie-Herstellung und Funktionsweise einer Batterie empfehlen wir „die Sendung mit der Maus- Batterie (Sachgeschichten 2006)“ zu finden z.B unter http://www.wdrmaus.de/filme/sachgeschichten/batterieherstellung.php5