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Physikalische Grundlagen

1. Elektrische Größen


1.1 Elektrischer Strom


Man definiert die elektrische Stromstärke I (bei konstanten Gleichstrom) als Quotient der durch einen Leistungsquerschnitt fließenden Ladung Q und der dazu nötigen Zeit t: I = Q/t

Die Einheit der Ladung Q ist das Coulomb (C), die Einheit des Stroms I ist das Ampere.

Ein Strom von 1 Ampere fließt dann, wenn durch einen Leistungsquerschnitt pro Sekunde ein Coulomb Ladung fließt.

Der elektrische Strom stellt dabei die Bewegung von elektrischen geladenen Teilchen (=Ladungsträger) - also Ionen und Elektronen - in einem Leiter dar.

Die Bewegung dieser Ladungsträger kann in Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen aber auch im absoluten Vakuum erfolgen.

Es ist zu beachten, daß die einzelnen Ladungsträger entweder nur positiv oder nur negativ geladen sein können, Mischformen sind nicht möglich.


1.2 Elektrische Spannung

Definition: U = W/q.

Dabei ist W die eine Arbeit, die auf eine Ladung einwirkt.

Die Einheit der Spannung ist Volt, die der Arbeit W das Joule, das der Ladung ist das Coulomb.

Dabei ist zu sagen, daß diese Definition zwar die Grunddefinition für die elektrische Spannung darstellt, diese aber praktisch nicht von Belang ist. Vielmehr spielt die elektrische Spannung in der Praxis nur im Zusammenhang zwischen Spannung und Strom eine Rolle.


1.3 Ohmscher Widerstand

Definition: R = U/I.

Dabei ist I der Strom, U die Spannung. Die Einheit des Widerstandes R ist das Ohm.

Ursache für den elektrischen Widerstand ist die Tatsache, daß dem Stromfluß in einem Leiter ein Widerstand entgegengesetzt wird.

Beim Fluß der Elektronen durch einen elektrischen Leiter müssen die Elektronen gegen Anziehungskräfte der einzelnen Atome ankämpfen, die diese auf die Elektronen ausüben.


2. Physikalische Grundbegriffe Batteriesysteme


2.1 Leerlaufspannung


Spannungsquellen wie etwa Netzgeräte oder Batterien haben, wenn sie nicht belastet werden, eine höhere Spannung als unter Belastung.

Diese Leerlaufspannung liegt über der Spannung, die unter Last gemesen wird.

So hat z. B. eine Alkali-Mangan-Zelle (Haushaltsbatterie), die eine Leerlaufspannung von 1,5 Volt hat unter Belastung eine geringere Spannung.

Diese Spannung wird um so geringer, je höher die Batterie belastet wird.


2.2 Klemmenspannung

Jedes Batteriesystem hat eine bestimmte Leerlaufspannung.

Wird dieses Batteriesystem belastet, so sinkt die meßbare Spannung.

Dieser Spannungsverlust ist abhängig von der Belastung, also dem fließenden Strom, und dem Innenwiderstand des Batteriesystems.


2.3 Entladeschlußspannung

Die Entladeschlußspannung ist die untere Spannungsgrenze einer Zelle, bis zu welchem sie gefahrlos entladen werden darf.

Ein Unterschreiten dieser unteren Grenzspannung kann eine Beschädigung der Zelle zur Folge haben.

Diese Entladeschlußspannung ist für jedes Akkusystem anders.


2.4 Innenwiderstand einer Zelle

Jedes Batteriesystem hat einen elektrischen Innenwiderstand.

Dieser sorgt unter anderem dafür, daß der maximale Stromfluß durch die Zelle begrenzt wird.

Dieser Widerstand ist jedoch regelmäßig sehr klein, weshalb der maximale Kurzschlußstrom meist sehr hoch ist.

Der Innenwiderstand der Zelle hängt in erster Linie vom chemischen Aufbau der Zelle (also verwendete Stoffe, Art der Elektroden usw.) ab.

Daneben spielen Außentemperaturen und der Ladezustand eine weitere Rolle.


2.5 Die Kapazität einer Zelle / Kapazitätsmessung

Jede Zelle ist Aufgrund ihrer chemischen Stoffe in der Lage eine bestimmte elektrische Energie abzugeben.

Es wird dabei gemessen, wie lange sie einen bestimmten Strom liefern kann.

Die Einheit lautet dann folglich Amperestunde (Ah).

Damit die Kapazität einer Zelle mit der einer anderen vergleichbar ist, wird mit bestimmten Entladeströmen bei bestimmten Umgebungstemperaturen und Entladeschlußspannungen gemessen.

Die Messung der Kapazität einer Zelle erfolgt durch vordefiniertes Entladen bei einem bestimmten Entladestrom bis zu einer bestimmten Entladeschlußspannung.

Sie ist das Produkt aus dem geschlossenen Entladestrom und der Entladezeit.


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