Spezialbatterien

Quecksilber-Standardzelle

In den Anfängen der elektrischen Messtechnik eine spezielle Art von Batterie, bekannt als Quecksilber-Standardzelle wurde im Volksmund als Spannungskalibrierungsstandard verwendet. Die Ausgangsleistung einer Quecksilberzelle betrug 1,0183 bis 1,0194 Volt Gleichstrom (je nach spezifischem Zelldesign) und war über die Zeit äußerst stabil. Die beworbene Drift betrug etwa 0,004 Prozent der Nennspannung pro Jahr. Quecksilber-Standardzellen wurden manchmal als Weston-Zellen bekannt oder Cadmiumzellen .

Leider waren Quecksilberzellen ziemlich intolerant gegenüber jeglicher Stromaufnahme und konnten nicht einmal mit einem analogen Voltmeter gemessen werden, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Hersteller forderten normalerweise nicht mehr als 0,1 mA Strom durch die Zelle, und selbst dieser Wert wurde als momentan betrachtet , oder Anstieg maximal! Folglich konnten Standardzellen nur mit einem potentiometrischen (Null-Balance)-Gerät gemessen werden, bei dem die Stromaufnahme fast Null ist. Das Kurzschließen einer Quecksilberzelle war verboten, und wenn sie einmal kurzgeschlossen war, konnte man sich nie wieder auf die Zelle als Standardgerät verlassen.

Typen von Quecksilber-Standardzellen

Quecksilber-Standardzellen waren auch anfällig für leichte Spannungsänderungen, wenn sie physikalisch oder thermisch gestört wurden. Für unterschiedliche Kalibrierzwecke wurden zwei verschiedene Typen von Quecksilber-Standardzellen entwickelt:gesättigt und ungesättigt . Gesättigte Standardzellen boten im Laufe der Zeit die größte Spannungsstabilität auf Kosten der thermischen Instabilität. Mit anderen Worten, ihre Spannung driftete im Laufe der Zeit nur sehr wenig (nur wenige Mikrovolt über einen Zeitraum von einem Jahrzehnt!), neigte jedoch dazu, mit Änderungen der Temperatur zu variieren (zehn Mikrovolt pro Grad Celsius). Diese Zellen funktionierten am besten in temperaturkontrollierten Laborumgebungen, in denen die Langzeitstabilität von größter Bedeutung ist. Ungesättigte Zellen lieferten thermische Stabilität auf Kosten der Stabilität über die Zeit, wobei die Spannung bei Temperaturänderungen praktisch konstant blieb, aber jedes Jahr stetig um etwa 100 µV abnahm. Diese Zellen funktionierten am besten als „Feld“-Kalibriergeräte, bei denen die Umgebungstemperatur nicht genau kontrolliert wird. Die Nennspannung für eine gesättigte Zelle betrug 1,0186 Volt und 1,019 Volt für eine ungesättigte Zelle.

Moderne Referenzen für Halbleiterspannungen (Zenerdiodenregler) haben Standardzellenbatterien als Labor- und Feldspannungsstandards abgelöst.

Brennstoffzelle

Ein faszinierendes Gerät, das eng mit Primärzellenbatterien verwandt ist, ist die Brennstoffzelle , so genannt, weil es die chemische Reaktion der Verbrennung nutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Prozess der chemischen Oxidation (Sauerstoff ionische Bindung mit anderen Elementen) ist in der Lage, einen Stromfluss zwischen zwei Elektroden ebenso wie jede beliebige Kombination von Metallen und Elektrolyten zu erzeugen. Eine Brennstoffzelle kann man sich als Batterie mit einer extern zugeführten chemischen Energiequelle vorstellen.

Bis heute sind die erfolgreichsten gebauten Brennstoffzellen solche, die mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden, obwohl viel Forschung an Zellen betrieben wurde, die Kohlenwasserstoff-Brennstoffe verwenden. Beim „Verbrennen“ von Wasserstoff sind die einzigen Abfallnebenprodukte einer Brennstoffzelle Wasser und eine kleine Menge Wärme. Beim Betrieb mit kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen wird auch Kohlendioxid als Nebenprodukt freigesetzt. Da die Betriebstemperatur moderner Brennstoffzellen weit unter der einer normalen Verbrennung liegt, werden keine Stickoxide (NOx) gebildet, wodurch sie bei gleichen anderen Faktoren viel weniger umweltschädlich ist.

Die Effizienz der Energieumwandlung in einer Brennstoffzelle von chemisch zu elektrisch übersteigt bei weitem die theoretische Carnot-Effizienzgrenze eines Verbrennungsmotors, was eine aufregende Perspektive für die Stromerzeugung und hybride Elektroautos darstellt.

Solarzelle

Eine andere Art von „Batterie“ ist die Solarzelle , ein Nebenprodukt der Halbleiterrevolution in der Elektronik. Der photoelektrische Effekt , bei der Elektronen aus Atomen unter Lichteinfluss herausgelöst werden, ist in der Physik seit vielen Jahrzehnten bekannt, aber erst mit den jüngsten Fortschritten in der Halbleitertechnologie gab es ein Gerät, das diesen Effekt praktisch ausnutzen kann. Die Umwandlungseffizienz von Silizium-Solarzellen ist immer noch recht gering, aber ihre Vorteile als Stromquelle sind zahlreich:keine beweglichen Teile, kein Lärm, keine Abfallprodukte oder Umweltverschmutzung (abgesehen von der Herstellung von Solarzellen, die immer noch eine ziemlich „dreckige“ Industrie ist ) und unbegrenztes Leben.

Die spezifischen Kosten der Solarzellentechnologie (Dollar pro Kilowatt) sind immer noch sehr hoch, und es besteht kaum Aussicht auf eine signifikante Senkung, sofern keine revolutionären technologischen Fortschritte erzielt werden. Im Gegensatz zu elektronischen Bauteilen aus Halbleitermaterial, die durch bessere Qualitätskontrolle mit weniger Ausschuss immer kleiner werden, benötigt eine einzelne Solarzelle noch immer die gleiche Menge an Reinstsilicium wie vor dreißig Jahren. Eine überlegene Qualitätskontrolle führt nicht zu dem gleichen Produktionsgewinn wie bei der Herstellung von Chips und Transistoren (wo isolierte Verunreinigungsflecken viele mikroskopische Schaltkreise auf einem Siliziumwafer zerstören können). Die gleiche Anzahl unreiner Einschlüsse beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad einer 3-Zoll-Solarzelle kaum.

Chemische Nachweiszelle

Eine weitere Art von Spezialbatterie ist die chemische Nachweiszelle . Einfach ausgedrückt, reagieren diese Zellen chemisch mit bestimmten Substanzen in der Luft, um eine Spannung zu erzeugen, die direkt proportional zur Konzentration dieser Substanz ist. Eine übliche Anwendung für eine chemische Detektionszelle ist die Detektion und Messung der Sauerstoffkonzentration. Viele tragbare Sauerstoffanalysatoren wurden um diese kleinen Zellen herum entwickelt. Die Zellchemie muss auf die zu detektierende(n) Substanz(en) abgestimmt sein, und die Zellen neigen dazu, sich „abzunutzen“, da ihr Elektrodenmaterial durch den Gebrauch erschöpft oder kontaminiert wird.

RÜCKBLICK:

• Quecksilber-Standardzellen sind spezielle Batterietypen, die vor dem Aufkommen von Präzisions-Halbleiter-Referenzgeräten einst als Spannungskalibrierstandards verwendet wurden.
• Eine Brennstoffzelle ist eine Art Batterie, die einen brennbaren Brennstoff und ein Oxidationsmittel als Reaktionspartner verwendet, um Strom zu erzeugen. Sie sind vielversprechende Stromquellen der Zukunft und „verbrennen“ Kraftstoffe mit sehr geringen Emissionen.
• Eine Solarzelle verwendet Umgebungslichtenergie, um Ladungsträger von einer Elektrode zur anderen zu motivieren, wodurch Spannung (und Strom, wenn ein externer Stromkreis vorhanden ist) erzeugt wird.
• Eine chemische Nachweiszelle ist eine spezielle Art von voltaischer Zelle, die eine Spannung proportional zur Konzentration einer aufgebrachten Substanz (normalerweise ein bestimmtes Gas in der Umgebungsluft) erzeugt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Batterien