Interpretieren von Strom-Spannungs-Kurven verschiedener Materialien

In diesem Artikel werden die Ideen zum Messen und Interpretieren der Strom-Spannungs-Kurven von Solarzellen, Batterien und unbekannten Materialien diskutiert.

In diesem Artikel werden die Ideen zum Messen und Interpretieren der Strom-Spannungs-Kurven von Solarzellen, Batterien und unbekannten Materialien diskutiert.

In diesem Fachartikel wird die Verwendung von I-V-Kurven idealer, linearer Komponenten zum Verständnis und zur Interpretation verschiedener Materialien und ihrer Verwendung als elektronische Geräte diskutiert. Der Artikel behandelt insbesondere Solarzellen, Batterien und neue Materialien. Während externe Referenzen zur Funktionsweise dieser Geräte bereitgestellt werden, konzentriert sich dieser Artikel nur auf die I-V-Kurven dieser Geräte.

Empfohlene Lektüre

• Strom-Spannungs-Kurven verstehen
• Strom-Spannungs-Kurven von nichtlinearen Geräten verstehen

I-V-Kurven von Solarzellen

Solarzellen sind photoelektrische Geräte, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln. Mit anderen Worten, sie erzeugen Strom, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Wenn Licht auf ein photovoltaisches Halbleitermaterial (Solarzelle) fällt, wird die Energie der Photonen auf das Material übertragen, wodurch frei bewegliche Ladungen erzeugt werden.

Bei einem vollständigen Stromkreis mit einem Lastwiderstand wird im Stromkreis ein Strom erzeugt, wenn die Solarzelle dem Licht ausgesetzt wird. Da die Solarzelle elektrischen Strom erzeugt, wird ihre I-V-Kurve durch Lastschaltung erhalten.

Beim Lastwechsel werden verschiedene Widerstandslasten verwendet, die an eine Stromquelle angeschlossen sind, und die Spannung am Gerät (mit einem Voltmeter) sowie den Strom durch das Gerät (mit einem Amperemeter) gemessen. Um zu sehen, inwieweit eine Solarzelle einen Stromkreis mit Strom versorgen kann, messen wir die I-U-Kennlinie des Geräts mit der Lastschaltmethode. Eine typische Kurve ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Schema einer I-U-Messschaltung für eine Solarzelle für eine feste Beleuchtung (oben) und eine typische I-U-Kurve einer Solarzelle (unten). $$I_{SC}$$ ist der Kurzschlussstrom und $$V_{OC}$$ ist die Leerlaufspannung. Bei kleinen Widerstandswerten verhalten sich die Solarzellen tendenziell wie ideale Stromquellen.

Bei einer Widerstandslast von 0 Ohm (Kurzschluss) wird der maximale Strom, den eine Solarzelle bei gegebener Auflichtbeleuchtung erzeugen kann, als Kurzschlussstrom $$I_{SC}$$ bezeichnet. Das andere Extrem ist, dass bei einer Widerstandslast von unendlich Ohm (Leerlauf) kein Strom im Stromkreis fließt, während die von der Solarzelle für eine gegebene Beleuchtung erzeugte Spannung Leerlaufspannung, $$V_{OC . genannt wird }$$.

Aus dem I-V-Verhalten der Solarzelle in Abbildung 1 sehen wir, dass sich typische Solarzellen bei kleineren Lastwiderständen eher wie eine Stromquelle verhalten. Andererseits verhält sich eine Batterie eher wie eine Spannungsquelle, wie wir im folgenden Abschnitt sehen werden.

I-V-Kurven von Batterien

Eine Batterie, die eine Ansammlung von Volta-Zellen ist, ist ein Gerät, das chemische Energie durch elektrochemische Reaktionen in elektrische Energie umwandelt. Eine Batterie ist aufgrund ihres chemischen Aufbaus und ihrer Zusammensetzung für eine bestimmte Nennspannung und Kapazität (A-h) ausgelegt. Beispiele für Batterietypen sind Nickel-Cadmium (Ni-Cd) oder Lithium-Ion (Li-Ion).

Da die Batterie eine Stromquelle ist, wird die I-V-Antwort einer Batterie durch Lastschalten erhalten. Eine schematische Darstellung der I-V-Kurve einer Batterie ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Lastschaltmessung einer idealen Batterie (oben) und der I-V-Kurve einer idealen Batterie sowie einer typischen realen Batterie (unten). Die reale Batterie wird aufgrund der linearen Natur der I-V-Kurve normalerweise als ideale Batterie in Reihe mit einem Innenwiderstand modelliert.

Eine ideale Batterie funktioniert wie eine ideale Spannungsquelle. Eine echte Batterie, die noch voll funktionsfähig ist, verhält sich wie eine ideale Spannungsquelle, hat aber eine Steigung, wie durch die durchgezogene Linie in Abbildung 2 gezeigt.

Eine Steigung auf einer I-V-Kurve ist ein Widerstand (wie im Artikel über I-V-Kurven idealer Komponenten beschrieben). Daher wird eine reale Batterie oft als ideale Batterie in Reihe mit einem Innenwiderstand dargestellt, wie hier beschrieben. Die I-V-Charakteristik einer Solarzelle und einer Batterie geht nicht durch den Ursprung, was darauf hindeutet, dass sie irgendeine Form von Energie speichern.

I-V-Kurven neuer Materialien

Wir haben die Strom-Spannungs-Kurven idealer Komponenten gesehen, bei denen es sich um lineare und passive Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten handelt. Wir haben uns auch aktive Geräte angesehen, die Strom liefern, wie z. B. ideale Spannungsquellen und Stromquellen.

Unter Verwendung der idealen Diagramme haben wir die I-V-Kurven von nichtlinearen, passiven Geräten wie Dioden und Transistoren sowie von aktiven Geräten wie Solarzellen und Batterien betrachtet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt waren Geräte wie Dioden und Solarzellen unbekannt, und die Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie war eine Möglichkeit zur Modellierung das Gerät mit linearen Komponenten. Eine grundlegende Intuition hinter I-V-Kurven kann Ingenieuren helfen, neue Verwendungsmöglichkeiten für Materialien zu entdecken.

In diesem Abschnitt betrachten wir die I-V-Kurve einer Stimulationselektrode, die zum Senden elektrischer Impulse bei Säugetieren verwendet wird. Dieser Abschnitt des Artikels gibt nur einen Einblick, wie wir die I-V-Kurven linearer Komponenten verwenden können, um eine unbekannte I-V-Antwort zu visualisieren und eine Intuition zu erhalten, wie sie sich verhält.

Neurale Stimulationselektrode

Eine Elektrode ist ein leitfähiges Material, das mit einem nichtmetallischen Teil des Stromkreises in Kontakt kommt. Zum Beispiel werden Batterien mit Elektroden konstruiert, die in einem Elektrolyten platziert sind. Um das in einer Elektrode verwendete Material zu untersuchen, führen Elektrochemiker eine als zyklische Voltammetrie bekannte Messung durch , bei der es sich im Wesentlichen um eine I-V-Kurvenmessung mit der Spannungs-Sweep-Methode handelt.

Zyklische Voltammetrie (CV)-Diagramme sind Methoden zum Untersuchen der Spannungen, bei denen elektrochemische Reaktionen am häufigsten vorkommen. In dieser Hinsicht berücksichtigt CV auch die Geschwindigkeit, mit der die Spannungs-Sweeps durchgeführt werden. Hier erfahren Sie mehr über die zyklische Voltammetrie.

Der Messaufbau für eine I-V-Kurve einer Elektrode ist in der Regel ein Drei-Elektroden-System. Die Elektrode wird in Salzlösung (NaCl) gelegt und es gibt eine Platin-Gegenelektrode sowie eine Referenzelektrode. Die Abbildung unten ist ein Beispiel für die I-V-Reaktion oder die zyklische Voltammetrie-Darstellung einer Iridiumoxid-Filmelektrode, die für biologische Stimulationsanwendungen verwendet wird.

Abbildung 3. I-V-Kurve eines Iridiumoxid-Elektrodenmaterials in Salzlösung (blaue Kurve). Außerdem überlagert ist das I-U-Kurvenverhalten eines Kondensators und eines Widerstands. Dies zeigt, dass das Material kapazitive Eigenschaften der Ladungsspeicherung (Hysterese) aufweist

Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt die CV-Kurve einer Iridiumoxid-Elektrode. Beachten Sie, dass die Elektrodenreaktion von Iridiumoxid in Salzlösung im Gegensatz zu einem Widerstand die Eigenschaften eines Kondensators beinhaltet, dh Ladung speichert. Diese Ladungsspeicherungseigenschaft ist zusammen mit vielen anderen der Grund dafür, dass dieses Material für die biologische Stimulation verwendet wird, d. h. die Injektion von Ladung in biologisches Gewebe.

Zusammenfassung der Interpretation von I-V-Kurven verschiedener Materialien

Geräte	Benötigt Strom?	I-V-Methode	Häufig verwendet als?	Durchläuft Origin ?
Solarzelle	Nein	Lastwechsel	Aktuelle Quelle für kleine Lasten	Ja
Batterien	Nein	Lastwechsel	Spannungsquelle für große Lasten	Ja
Stimulationselektrode	Ja	Spannungs-Sweep	Verhält sich wie ein Kondensator, der zum Injizieren von Ladung ins Gewebe verwendet wird	Nein