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If you are not located in the United States, you'll have -to check the laws of the country where you are located before using this ebook. - -Title: Die Akkumulatoren - ihre Theorie, Herstellung, Behandlung und Verwendung. - -Author: Willibald Bermbach - -Release Date: April 2, 2016 [EBook #51638] - -Language: German - -Character set encoding: UTF-8 - -*** START OF THIS PROJECT GUTENBERG EBOOK DIE AKKUMULATOREN *** - - - - -Produced by Peter Becker, Harry Lamé and the Online -Distributed Proofreading Team at http://www.pgdp.net - - - - - - - - Anmerkungen zur Transkription - - Benutzte Typographie - Transkription im Original - - _Text_ Kursivdruck - =Text= Fettdruck - ~Text~ Gesperrter Text - _{Text} Tiefgestellter Text - - Fußnoten befinden sich am Ende des Kapitels. - - Abhängig von der benutzten Hard- und Software sind möglicherweise - nicht alle Elemente des Textes richtig zu sehen. - - Weitere Anmerkungen befinden sich am Ende dieser Text. - - - - - Otto Wigand, Verlagsbuchhandlung m. b. H., Leipzig - - - HANDWÖRTERBUCH - DER DEUTSCHEN SPRACHE - - von =Dr. Daniel Sanders= - - Neu bearbeitet, ergänzt u. vermehrt - - von =Dr. Ernst Wülfing= - - Achte (der Neubearbeitung erste) Auflage - Geheftet Mark 8.--, gebunden Mark 10.-- - -[Illustration] - -Der „Kleine Sanders‟, der bekannte von Sanders selbst besorgte Auszug -aus seinem großen vierbändigen „Wörterbuch‟, der seit seinem ersten -Erscheinen vor gerade 40 Jahren sieben Auflagen erlebt hat und in rund -40000 Abdrucken verkauft worden ist, liegt in neuer, reich ergänzter und -vermehrter Bearbeitung und in ganz neuem Gewande vor uns. Vor der alten -Ausgabe zeichnet sich die neue schon rein äußerlich durch die vornehme -Ausstattung und die größere Breite der Spalten aus; vor allem aber ist, -wenn auch im ganzen die Druckanordnung der alten Ausgabe beibehalten -wurde, doch in zahlreichen Einzelheiten alles getan worden, um dem Buch -eine bei weitem größere Übersichtlichkeit zu verschaffen. -- Der -Bearbeiter Dr. E. Wülfing, hat das Buch mit besonderer Sorgfalt -durchgesehen, es besonders, wo alte Lücken waren, aus dem „Großen -Sanders‟ ergänzt und es anderseits durch zahlreiche neue Wörter -vermehrt, die die verflossenen 40 Jahre, namentlich auf dem Gebiete der -Technik aufgebracht haben. Auch wurde an manchen Stellen die bessernde -Hand angelegt, wo das nach den Fortschritten der Sprachwissenschaft -nötig erschien, besonders bei so mancher Bedeutungsentwicklung, die von -Sanders s. Z. nicht richtig erkannt und aufgestellt wurde oder werden -konnte. An Reichhaltigkeit, besonders auf dem Gebiete der neuesten -technischen Ausdrücke und u. a. auch der Pflanzennamen, übertrifft der -„Sanders-Wülfing‟, wie der „Kleine Sanders‟ wohl jetzt genannt werden -wird, alle vorhandenen kleineren deutschen Wörterbücher. Besonders sei -noch erwähnt, daß Wülfing an zahllosen Stellen dafür gesorgt hat, daß -durch Einfügung von kurzen Belegen und Anführungen aus dem Schrifttum, -sowie von knappen Beispielen die Erläuterungen, die ohne solche oft -nicht ganz klar waren, belebt worden sind. Daß endlich die neue -Rechtschreibung eingeführt worden ist, braucht nicht besonders betont zu -werden. - -=Ein unentbehrliches Hand- und Nachschlagebuch für jeden Gebildeten= - - - - - Die Akkumulatoren, - ihre Theorie, Herstellung, Behandlung - und Verwendung. - - - Von - - Prof. =Dr. W. Bermbach=. - - Zweite, vermehrte und verbesserte Auflage - - ~Mit~ 38 ~Abbildungen.~ - - [Illustration] - - ~Otto Wigand~ - Verlagsbuchhandlung und Buchdruckerei m. b. H. - Leipzig 1911. - - - - -Vorwort - -zur ersten Auflage. - - -Die Literatur über Akkumulatoren ist zwar eine ziemlich reichhaltige, -jedoch fehlt es an einem nicht zu umfangreichen Buche, in dem sowohl die -Theorie wie die Praxis, letztere, soweit sie größere Kreise -interessiert, genügend berücksichtigt wird. Dieses dürfte in dem -vorliegenden Werkchen geschehen sein. - -Wenn irgendwo, so gilt für den Bleiakkumulator der Satz: Eine gute -Theorie ist die beste Praxis. Denn hier gibt uns die Theorie Aufschluß -über alle im Betriebe vorkommenden Erscheinungen. Aus diesem Grunde -wurde die Theorie des Bleiakkumulators ausführlich behandelt. Damit sich -nun auch solche Leser, denen die Grundbegriffe der modernen -Elektrochemie nicht geläufig sind, zurechtfinden können, habe ich in dem -ersten Kapitel die neueren Ansichten über die Elektrolyse und die -Stromerzeugung in galvanischen Elementen gemeinverständlich behandelt. - - Cöln, Mai 1905. - - - - -Vorwort - -zur zweiten Auflage. - - -Die meisten Kapitel wurden neu bearbeitet, die beiden letzten Kapitel -außerdem nicht unwesentlich erweitert. Über den ~Edison~-Akkumulator -liegt jetzt genügend Material vor; dementsprechend wurde er in der neuen -Auflage ausführlicher behandelt. - -Herrn Dr. H. ~Geisler~ spreche ich für seine Unterstützung bei dem Lesen -der Korrekturbogen meinen verbindlichsten Dank aus. - - Cöln, Juni 1911. - - =Der Verfasser.= - - - - -Inhalt. - - - Seite - - 1. ~Kapitel~. Theorie der Elektrolyse und der galvanischen - Elemente 1 - - 2. ~Kapitel~. Theorie des Bleiakkumulators 34 - - 3. ~Kapitel~. Kapazität, Wirkungsgrad, Nutzeffekt, innerer - Widerstand 60 - - 4. ~Kapitel~. Ladung und Entladung 80 - - 5. ~Kapitel~. Vorgänge im ruhenden Akkumulator 105 - - 6. ~Kapitel~. Plattenkonstruktionen, Herstellung der Platten, - Formation 116 - - 7. ~Kapitel~. Aufstellung der Batterie, Einbau der Platten, - Vorschriften über die Behandlung, Lebensdauer 132 - - 8. ~Kapitel~. Der alkalische Akkumulator 152 - - 9. ~Kapitel~. Die Verwendung der Akkumulatoren 166 - - - - -Erstes Kapitel. - -Theorie der galvanischen Elemente und der Elektrolyse. - - -~Vorläufige Erklärung der Vorgänge im Bleiakkumulator~. Ein -Bleiakkumulator in seiner einfachsten Gestalt besteht aus zwei -Bleiplatten, die in verdünnte Schwefelsäure eintauchen. Schickt man -durch den elektrolytischen Apparat einen elektrischen Strom, so bildet -sich an derjenigen Elektrode, die mit dem positiven Pole der Stromquelle -verbunden ist, der Anode, Bleisuperoxyd, das eine braunrote Farbe hat; -an der negativen Elektrode, der Kathode, wird Bleioxyd[1], das sich, -bevor die Bleiplatten in die Säure getaucht wurden, an der Luft gebildet -hatte, zu metallischem Blei reduziert. - -Wenn an beiden Elektroden Gasentwicklung erfolgt -- was bei unserem -Laboratoriumsversuch schon nach kurzer Zeit der Fall ist --, so -unterbricht man den Ladestrom. Wir haben jetzt die Kombination vor uns -Blei und Bleisuperoxyd in verdünnter Schwefelsäure: - - Pb | H₂SO₄ + aqua | PbO₂ - - | | + - -Das Minuszeichen unter Blei bedeutet, daß die betreffende Platte der -negative Pol des Elementes ist. Unsere Kombination ist, wie wir leicht -mittels eines Galvanoskops nachweisen können, ein galvanisches Element, -ähnlich wie - - Zn | H₂SO₄ + aq | Cu. - - | | + - -Wie wir später sehen werden, bildet sich bei der Entladung auf beiden -Elektroden Bleisulfat. Die beiden Platten werden also einander um so -ähnlicher, je mehr Elektrizität unser Akkumulator abgibt. Wenn man aber -zwei ~gleiche~ Elektroden in denselben Elektrolyten eintaucht, so erhält -man kein galvanisches Element. Die elektromotorische Kraft unseres -primitiven Akkumulators muß also während der Stromabgabe mehr oder -weniger schnell abnehmen. - -Bei dem beschriebenen Laboratoriumsversuch findet man, daß nach -Beendigung der Entladung die braunrote Farbe keineswegs ganz -verschwunden ist, daß also Reste von PbO₂ zurückbleiben. - -Laden wir den Akkumulator jetzt wieder, so wird Bleisulfat an der -negativen Elektrode in metallisches Blei und an der positiven Platte in -Bleisuperoxyd verwandelt. - -Bei der Ladung sowohl wie bei der Entladung spielen sich im Akkumulator -chemische Prozesse ab. Bei der Ladung wird ein chemisches System -gleichsam gewaltsam verändert (ähnlich wie eine Spiralfeder beim -Zusammendrücken), das veränderte System hat das Bestreben, in seinen -ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Bei der Ladung wird in dem -Akkumulator chemische Energie aufgespeichert, und zwar entsteht diese -aus elektrischer Energie. In dem Akkumulator wird also keineswegs -elektrische Energie als solche aufbewahrt, gerade so wenig wie dies bei -einem Gewichte der Fall ist, das durch einen Elektromotor gehoben wurde. -Den Charakter eines galvanischen Elementes erhält der Akkumulator erst -dadurch, daß man ihm elektrische Energie zuführt. Man bezeichnet ihn -daher auch als ~Sekundärelement~. - -Im Prinzip unterscheidet sich ein geladener Akkumulator in nichts von -einem gewöhnlichen Primärelement (z. B. einem Daniell-Element). Wir -müssen daher im Folgenden auf die Theorie der galvanischen Elemente -näher eingehen. - -An den chemischen Vorgängen im Akkumulator ist der Elektrolyt in -hervorragender Weise beteiligt. Es ist daher jedem, der nur etwas tiefer -in die Theorie des Bleiakkumulators eindringen will, anzuraten, sich ein -möglichst klares und vollständiges Bild von den Vorgängen, die sich bei -der Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure abspielen, zu verschaffen. -[Hingewiesen sei hier auf das Kapitel VIII in ~Le Blancs~ Lehrbuch der -Elektrochemie.] - -Da die neueren elektrochemischen Theorien, soweit es der Raum gestattet, -in unserer Schrift Berücksichtigung finden sollen, so wollen wir mit -einer Besprechung einiger wichtiger Grundbegriffe dieses Gebietes -beginnen. - -Der ~osmotische Druck~. Um diesen außerordentlich wichtigen Begriff klar -zu machen, wollen wir von einem Nichtelektrolyten ausgehen; als Beispiel -diene eine Zuckerlösung. Ein Standglas mit vorspringendem Rande fülle -man mit einer Zuckerlösung und verschließe das Glas mittels einer vorher -in lauwarmem Wasser aufgeweichten Schweinsblase, wobei darauf zu achten -ist, daß keine Luftblasen eingeschlossen werden. Durch einen Bindfaden -ist die Membran unterhalb des Glasrandes gut zu befestigen. Stellt man -das Präparat in ein größeres, mit Wasser gefülltes Gefäß, so findet man -nach etwa 24 Stunden, daß sich die Membran sehr stark gewölbt hat, und -wir schließen daraus, daß von der Zuckerlösung auf die Membran ein Druck -ausgeübt wurde. Da die Wölbung nicht erfolgt, wenn wir das Standglas mit -Wasser füllen, so schließen wir weiter, daß der eben erwähnte Druck von -den Zuckermolekülen herrührt. -- Die Schweinsblase hat die -Eigenschaft[2], den Wassermolekülen den Durchgang zu gestatten, nicht -aber den Zuckermolekülen, sie ist ~halbdurchlässig~ oder semipermeabel. -Denken wir uns nun die Zeit in sehr kleine Intervalle geteilt, so können -wir die Vorgänge in dem Standglase (Zelle) folgendermaßen erklären: Die -Zuckermoleküle üben einen Druck auf die Membran aus; diese wird um ein -unendlich kleines Stück gehoben, in den freien Raum dringt Wasser ein. -Während des folgenden Zeitabschnittes wiederholt sich das Spiel usw. Die -Membran wölbt sich also langsam im Laufe der Zeit. Dem osmotischen -Drucke der Zuckermoleküle -- so nennt man den auf die Membran ausgeübten -Druck -- wirkt die Spannung der Membran entgegen. Nehmen wir nun an, daß -die Schweinsblase vollkommen, auch bei jedem Drucke halbdurchlässig ist, -und daß sie jeden beliebig hohen Druck auszuhalten vermag, ohne zu -platzen, so schließen wir weiter, daß sich nach einer gewissen Zeit ein -Gleichgewichtszustand ausbildet, der natürlich dann vorhanden ist, wenn -der osmotische Druck der Zuckermoleküle gleich ist der Spannung der -Membran. Der nach Innen gerichtete Druck der gespannten Membran nach -Eintritt des Gleichgewichtszustandes, d. h. wenn eine weitere Wölbung -der Membran nicht mehr erfolgt, ist gleich dem osmotischen Drucke der -Lösung. - -Auch in folgender Weise gelangt man zu einer Vorstellung über den -osmotischen Druck. Wenn wir bei Beginn des Versuches die Membran -belasten, etwa durch Auflegen von Gewichtsteinen, so erfolgt das -Eindringen des Wassers langsamer als eben und bei einer gewissen -Belastung wölbt sich die Membran überhaupt nicht. Beträgt die -betreffende Belastung p kg pro 1 cm² Oberfläche, so ist p ein Maß für -den osmotischen Druck. - -Nach der kinetischen Theorie der Flüssigkeiten kommt der osmotische -Druck dadurch zustande, daß Zuckermoleküle gegen die Membran prallen und -Stöße auf diese ausüben. - -Auf die für den osmotischen Druck gültigen Gesetze, die übrigens, wie -~van ’t Hoff~ zeigte, mit den Gasgesetzen übereinstimmen, soll nicht -näher eingegangen werden; es sei nur bemerkt, daß der osmotische Druck -mit der Konzentration wächst. - -~Die elektrolytische Dissoziation.~ Man fand, daß die Lösungen von -Säuren, Salzen und Basen (Elektrolyte) einen anormal hohen osmotischen -Druck haben. ~Arrhenius~ erklärte diese Erscheinung durch die Annahme, -daß sich Moleküle der gelösten Substanz dissoziieren. Eine einfache -Überlegung zeigt uns aber, daß die Dissoziation in Elektrolyten von der -gewöhnlichen Dissoziation verschieden sein muß. Wählen wir als Beispiel -eine Salmiaklösung. Bei hoher Temperatur spaltet sich (dampfförmiger) -Salmiak nach der Gleichung - - NH₄Cl = NH₃ + HCl. - -Würde die Dissoziation in der Salmiaklösung in derselben Weise erfolgen, -so müßte die Flüssigkeit freies Ammoniak enthalten, das an seinem -scharfen, stechenden Geruch leicht erkannt werden kann. Eine -Salmiaklösung riecht aber nicht nach Ammoniak. Die ~Dissoziation in -Elektrolyten erfolgt~ nun in der Weise, daß ~elektrisch geladene -Komponenten~ entstehen. Das Kochsalzmolekül z. B. spaltet sich in ein -positiv geladenes Natriumatom und ein negativ geladenes Chloratom. Die -Komponenten nennt man ~Ionen~, d. h. die Wandernden, weil sie sich unter -dem Einflusse elektrischer Kräfte bewegen. - -Die elektrolytische Dissoziation kann man als einen chemischen Prozeß -auffassen, der sich zwischen einem Molekül der gelösten Substanz und -einem Neutron[3] abspielt und den man für Kochsalz durch die Gleichung -versinnlichen kann: - - NaCl + ⊕-⊖ = Na-⊕ + Cl-⊖. - -Statt dessen schreibt man kürzer - - NaCl = Na· + Cl′. - -Dementsprechend sehen wir die Ionen als neue chemische Verbindungen an, -z. B. ist das Natriumion (Na·) eine chemische Verbindung zwischen einem -Natriumatom und einem positiven Elektron. Ebenso wie Natrium + Chlor -etwas ganz anderes ist wie Natrium allein, so ist Natrium + Elektron, d. -h. Natriumion, in seinem chemischen und physikalischen Verhalten -durchaus verschieden von dem metallischen Natrium. - -Der materielle Bestandteil eines Ions kann auch aus mehreren Atomen -bestehen, z. B. aus der Hydroxylgruppe, dem Radikale SO₄. Ist das -Element oder die Atomgruppe mehrwertig, so verbindet es sich mit -mehreren Elektronen. Beispiele für die elektrolytische Dissoziation: - - NaOH = Na· + OH′ (Hydroxylion) - - CuSO₄ = Cu·· + SO₄′′ (Sulfat-Ion). - - NH₄Cl = NH₄· + Cl′ - -Cu·· bedeutet, daß das Kupferatom mit zwei positiven Elektronen -verbunden ist. - - Da ein- und derselbe Elektrolyt (Salz) sich in Wasser stark, in - Chloroform fast garnicht dissoziiert, so scheint es als ob dem Wasser - eine besonders große ~dissoziierende Kraft~ innewohnt. Nernst wies - zuerst darauf hin, daß zwischen dem Dissoziationsvermögen einer - Flüssigkeit und der Dielektrizitätskonstante ein gewisser - Parallelismus besteht. - -In einem Elektrolyten, z. B. in verdünnter Salzsäure, befinden sich -neben den Molekülen des Wassers, von dessen Dissoziation wir einstweilen -absehen, nichtdissoziierte Moleküle der gelösten Substanz, positive -Ionen, nämlich die Wasserstoffionen, und negative Ionen, nämlich die -Chlorionen. Nur bei sehr starker Verdünnung sind sämtliche Moleküle der -gelösten Substanzen dissoziiert. Befinden sich n Moleküle der gelösten -Substanz (dissoziierte Moleküle + indissoziierte Moleküle) in einer -Lösung und sind von diesen m Moleküle dissoziiert, so ist m/n der -~Dissoziationsgrad~. - -In jedem noch so kleinen Tröpfchen des Elektrolyten befinden sich -ebensoviele positive Ionen wie negative, so daß das Tröpfchen als Ganzes -unelektrisch ist. - -Inbezug auf den osmotischen Druck verhalten sich die Ionen wie die -Moleküle der gelösten Substanz; auf eine semipermeable Wand üben sie -also einen Druck aus. Man wird hier wieder an das Verhalten der Gase -erinnert: Befinden sich in einem abgeschlossenen Raume gleichzeitig -mehrere Gase oder Dämpfe, so übt jedes Gas einen gerade so großen Druck -aus, wie wenn es allein vorhanden wäre. Bei einem Elektrolyten kommen -also, wenn wir von den Ionen des Wassers selbst absehen, drei osmotische -Drucke in Betracht, nämlich der osmotische Druck der nichtdissoziierten -Moleküle, derjenige der positiven Ionen und derjenige der negativen -Ionen. - -Auf die Frage, warum in einem Elektrolyten (in der Regel) nicht alle -Moleküle der gelösten Substanz dissoziiert sind, soll mit einigen -wenigen Worten eingegangen werden. Nach der eben mitgeteilten -Auffassung ist die elektrolytische Dissoziation ein Vorgang nach -Art eines chemischen Prozesses. Für einen solchen gilt das -Massenwirkungsgesetz[4]. Wenn wir also beispielsweise Salzsäure in -Wasser gießen, so bildet sich ein Gleichgewichtszustand aus, der -dadurch charakterisiert ist, daß die Anzahl der Moleküle, die in -1 Sekunde zerfallen, gerade so groß ist wie die Anzahl der durch -Wiedervereinigungen eines positiven und negativen Ions entstehenden -neutralen Moleküle. -- Würden sich in einer starken Lösung, etwa in -einer 30prozentigen Kochsalzlösung alle Moleküle der gelösten Substanz -dissoziieren, so würde der Abstand zwischen den einzelnen Ionen ein -außerordentlich kleiner sein; die entgegengesetzten Ladungen der -positiven und negativen Ionen würden sich so stark anziehen, daß -zahlreiche Wiedervereinigungen stattfinden würden. Man sieht ein, daß in -jedem Kubikzentimeter der Lösung nur eine bestimmte Anzahl von Ionen -existieren kann. Mit zunehmender Verdünnung muß also die Dissoziation -fortschreiten. - -~Elektrolyse.~ Nur ~diejenigen Flüssigkeiten leiten~ den elektrischen -Strom, ~in denen sich freie Ionen befinden~. Die Stromleitung in einem -Elektrolyten besteht nun darin, daß die von der positiven Elektrode -abgestoßenen und von der negativen Elektrode angezogenen positiven Ionen -nach der einen und die negativen nach der entgegengesetzten Richtung -wandern. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Ionen durch die -Flüssigkeit hindurch bewegen, die übrigens wegen der sehr großen Reibung -zwischen den Wassermolekülen und den Ionen eine sehr geringe ist, hat -für die verschiedenen Ionenarten verschiedene Werte. - -Bei der Elektrolyse geben die an den Elektroden ankommenden Ionen an -diese ihre Ladungen ab, sie werden entionisiert oder gehen in den -atomistischen („gewöhnlichen‟) Zustand über. In manchen Fällen gehen -nach der Entionisierung sekundäre (rein chemische) Prozesse vor sich. -Wird z. B. CuSO₄ = Cu·· + SO₄′′ zwischen Kupferelektroden -elektrolysiert, so verbindet sich das SO₄-Radikal (nach seiner -Entionisierung) mit einem Atom Kupfer der Elektrode zu CuSO₄[5]. - - Die dem Elektrolyten zugeführte Energie kann also in zwei Teile - zerlegt werden. Der eine Teil dient dazu, die Ionen zu bewegen; die - entsprechende Arbeit wird in Wärme umgesetzt. Die zweite Arbeit, die - der Strom leistet, besteht darin, daß die Ionen ihrer Ladungen beraubt - werden. -- Die Entionisierung eines Ions, z. B. eines Natriumions kann - man als einen chemischen Prozeß auffassen, an dem das Natriumion und - ein negatives Elektron beteiligt ist und bei dem Energie verbraucht - wird. - -Das ~Faradaysche Gesetz~ erscheint vom Standpunkte der Ionentheorie aus -als etwas Selbstverständliches. Man sieht nämlich ohne weiteres ein, -daß - -1. die zersetzten Mengen des Elektrolyten den durchgegangenen -Elektrizitätsmengen proportional sind und daß - -2. die Mengen der gleichzeitig aus verschiedenen Elektrolyten -ausgeschiedenen Stoffe ihren chemischen Äquivalenten proportional sind -(an chemisch äquivalente Stoffmengen sind gleiche Elektrizitätsmengen -gebunden). An 1 Gramm Wasserstoffionen sind 96540 Coulomb gebunden; -ebenso an 23 Gramm Natriumionen etc. Um 1 Gramm Wasserstoff durch -Elektrolyse irgend eines Elektrolyten zu erhalten, muß man der -Stromquelle 96540 Coulomb positive Elektrizität entnehmen, oder bei 1 -Ampere Stromstärke muß die Elektrolyse 96540 Sekunden lang dauern. - -Wir wollen jetzt noch im Besonderen betrachten ~die Elektrolyse der -verdünnten Schwefelsäure~. Aus dem Umstande, daß chemisch reines Wasser -den elektrischen Strom nur sehr schlecht leitet, muß man folgern, daß -sich in reinem Wasser nur eine geringe Anzahl von Ionen befindet. In -chemisch reinem Wasser können sich natürlich nur solche Ionen befinden, -die durch Dissoziation der Wassermoleküle selbst entstehen. Diese -spalten sich, allerdings nur zu einem sehr kleinen Prozentsatze, nach -der Gleichung - - H₂O = H· + OH′ (1). - -Hierzu kommt wahrscheinlich eine noch geringfügigere Dissoziation, die -zur Bildung von Wasserstoff und Sauerstoffionen führt: - - H₂O = H· + H· + O′′ (2). - -Aus der von ~Kohlrausch~ und ~Heydweiller~ bestimmten Leitfähigkeit des -Wassers kann man den Dissoziationsgrad berechnen. Man findet, daß bei 0 -Grad 1 g Wasserstoffionen (und dementsprechend 17 g Hydroxylionen, wenn -wir von der Dissoziation nach Gleichung 2 absehen) in etwa 14 Millionen -Liter Wasser enthalten sind, bei 18° schon in 6,25 . 10⁶ l. Die -Leitfähigkeit nimmt also mit der Temperatur schnell zu. Nach neueren -Messungen enthält 1 g Wasserstoff 0,352 . 10²⁴ Atome. Ein Gramm Wasser -enthält also trotz der sehr geringen Dissoziation viele Millionen -Wasserstoffionen. - -Die Anzahl der Wasserstoffionen, die sich in 1 cm³ Wasser befindet, -wollen wir die Konzentration der Wasserstoffionen nennen, entsprechendes -gilt für die anderen Ionen. Da die Leitfähigkeit des Wassers (wie aller -Elektrolyte) mit der Temperatur stark wächst, so müssen wir schließen, -daß entweder die Ionenkonzentrationen mit der Temperatur größer werden, -oder daß die Reibung zwischen den Ionen und den Wassermolekülen kleiner -wird oder daß beides zugleich stattfindet. So viele Ionen nun bei einer -bestimmten Temperatur in einem cm³ existieren ~können~, so viele -existieren auch wirklich. Wenn also aus einem gegebenen Volumen Wasser -ein Wasserstoff- und ein Hydroxylion auf irgend eine Weise entfernt -werden, so dissoziiert sich sofort ein neues Molekül Wasser -- das -gestörte chemische Gleichgewicht wird sofort wieder hergestellt. - - Es sei hier wieder auf eine Analogie aufmerksam gemacht. Befindet sich - in einem abgeschlossenen Raume, etwa unter einer Glasglocke (Rezipient - einer Luftpumpe) eine hinreichende Menge Wasser, so verdampft bei - einer bestimmten Temperatur eine bestimmte Menge Wasser. Entfernen wir - auf irgend eine Weise einen Teil des Wasserdampfes, so erfolgt neue - Verdampfung; der Gleichgewichtszustand wird gestört und bildet sich - von neuem. Wie bei diesem Vorgange ~eine gewisse Zeit vergeht~, ehe - sich der Gleichgewichtszustand von neuem gebildet hat, so auch bei der - elektrolytischen Dissoziation. - -Setzen wir reinem Wasser Schwefelsäure zu -- es genügt eine ganz kleine -Menge --, so wächst das Leitungsvermögen sehr stark, und wir schließen -daraus, daß sich eine große Menge von neuen Ionen gebildet haben. Diese -entstehen durch die Dissoziation der Schwefelsäure, die bei den für uns -in Betracht kommenden Konzentrationen eine sehr weitgehende ist, und -zwar verläuft der Zerfall nach den beiden Reaktionsgleichungen[6] - - H₂SO₄ = H· + HSO₄′ (3). - - HSO₄′ = H· + SO₄′′ (4). - -Es findet also eine stufenweise Dissoziation statt. Die Dissoziation -nach der Gleichung (3) entspricht dem Zerfall des NaHSO₄, der offenbar -nach der Gleichung - - NaHSO₄ = Na· + HSO₄′ - -erfolgt. - -Bei geringerer Konzentration der Schwefelsäurelösung spielt die -Dissoziation nach Gleichung (3) nur eine ganz untergeordnete Rolle -gegenüber der Reaktion - - H₂SO₄ = H· + H· + SO₄′′ (5). - -Mit wachsender Konzentration tritt die Dissoziation im Sinne der -Gleichung (3) mehr in den Vordergrund. - -In verdünnter Schwefelsäure befindet sich also eine größere Anzahl von -Ionenarten (H·, OH′, O′′, SO₄′′, HSO′₄), und daher sind verschiedene -Elektrolysen möglich. An der Kathode werden immer Wasserstoffionen -entionisiert, an der Anode aber können vier verschiedene Ionenarten -herauselektrolysiert werden. - -Welche Ionenart auch außer Wasserstoff abgeschieden werden mag, an der -Stromleitung innerhalb des Elektrolyten sind ~alle~ Ionenarten -beteiligt. - -Um aus einem Elektrolyten zwei verschiedene Ionenarten ~dauernd~ -herauszuelektrolysieren, muß man eine gewisse Minimalspannung -anwenden; für uns kommen folgende von ~Le Blanc~ angegebene -~Zersetzungsspannungen~ in Betracht: - - H· und O′′ 1,08 Volt } - H· „ OH′ 1,68 „ } + Überspannung - H· „ SO₄′′ 1,95 „ } - H· „ HSO₄′ 2,60 „ } - -Die angegebenen Zersetzungsspannungen genügen i. A. noch nicht, eine -~sichtbare~ Gasentwickelung herbeizuführen, man muß diese vielmehr um -einen von der Natur der Kathode abhängigen Betrag vergrößern[7] -(natürlich ist hier nicht der Spannungsabfall im elektrolytischen -Apparat, i × w, gemeint). - - Wenn sichtbare Gasentwickelung erfolgen soll, so müssen sich - Gasbläschen bilden. Man kann nun annehmen, daß für die Bildung der - Bläschen eine gewisse Arbeit verbraucht wird, die der elektrische - Strom liefern muß, und daß diese Arbeit von der Beschaffenheit der - Oberfläche, an der die Wasserstoffbildung erfolgt, abhängig ist - (Überspannung). - -Am kleinsten ist die ~Überspannung~ für platiniertes Platin (Kathode), -für blankes Platin ist sie nahezu 0,1 Volt. Höchst wichtig ist für uns -die ~Überspannung~ für ~Blei~, die ~nach Caspari~ 0,64 ~Volt~ -beträgt[8]. Bei der Ladung eines Akkumulators ist die Bleielektrode -Kathode; daher kann, wenn wir von der sehr geringfügigen Elektrolyse, -die den Ionen H· und O′′ entspricht, im Akkumulator eine Gasentwickelung -erst bei 1,68 + 0,64 = 2,32 Volt erfolgen; starke Gasentwickelung wird -erst bei noch höherer Spannung vor sich gehen (abgesehen von der -Überspannung des Sauerstoffs[9]). - -Wegen der Überspannung ist also eine Ladung des Akkumulators erst -möglich, bezw. kann eine solche ohne ganz erhebliche Energieverluste -erfolgen. - -Bei kleinen Spannungen, z. B. bei 0,5 Volt, sinkt der Strom in einem -Wasserzersetzungsapparat nicht völlig auf Null herab, es muß also auch -in diesem Falle eine Elektrolyse stattfinden. Man erhält nicht Gase von -Atmosphärendruck, sondern Wasserstoff und Sauerstoff von geringer -Konzentration, gelöst in den Elektroden und im Elektrolyten. Den Strom -bezeichnet man als ~Reststrom~ (s. S. 29). - -In dem durch Elektrolyse gewonnenen Sauerstoff finden sich immer Spuren -von ~Ozon~, das durch einen sekundären Prozeß aus dem abgeschiedenen -Sauerstoff entsteht (besonders bei größerer Stromdichte). - -Die Ozonbildung nimmt mit wachsender Konzentration der Säure zu. Ebenso -entsteht sekundär ~Wasserstoffsuperoxyd~[10] (H₂O₂) in geringer Menge, -wahrscheinlich an beiden Elektroden. Endlich ist zu erwähnen, daß sich -~Überschwefelsäure~ bilden kann nach der Gleichung - - 2HSO₄′ + 2⊕ = H₂S₂O₈ (6). - -also primär. Die Entstehung von Überschwefelsäure bei der Elektrolyse -der verdünnten Schwefelsäure wird durch große Stromdichte, Vergrößerung -des Schwefelsäuregehaltes und Erniedrigung der Temperatur begünstigt. -Nach den Zersetzungsspannungen auf Seite 13 dürfte aber, vorausgesetzt, -daß die Überschwefelsäure nach Gleichung (6), also primär, entsteht, -ihre Bildung erst bei Spannungen von mehr als 2,6 Volt erfolgen; hierzu -ist noch beim Bleiakkumulator, da mit den HSO₄-Ionen gleichzeitig -Wasserstoffionen an der Bleielektrode entionisiert werden müssen, die -Überspannung von 0,64 Volt zu addieren. Bei normaler Ladung wäre demnach -eine Bildung von Überschwefelsäure im Akkumulator ausgeschlossen. Da -übrigens die Überschwefelsäure Blei angreift und Bleisuperoxyd in -Bleisulfat verwandelt, so ist ihre Gegenwart in dem Elektrolyten dem -Akkumulator schädlich. - -Ehe wir uns zu der Polarisation wenden, wollen wir uns mit der Beziehung -zwischen der ~Wärmetönung und der elektromotorischen Kraft~ -beschäftigen. Verdünnte Schwefelsäure möge zwischen indifferenten -Elektroden, d. h. zwischen solchen, die durch die Produkte der -Elektrolyse nicht angegriffen werden, zersetzt werden (z. B. zwischen -Platinelektroden). Wir erhalten, wenn wir von den Nebenprodukten -absehen, Wasserstoff und Sauerstoff. Nehmen wir an, daß wir 1 Gramm -Wasserstoff durch Elektrolyse erhalten haben (und 8 Gramm Sauerstoff); -es sind dann im ganzen 96540 Coulomb durch unseren Apparat geflossen, -was der Fall war, wenn die Zersetzung bei 1 Ampère Stromstärke 96540 -Sekunden lang gedauert hat. Der erhaltene Wasserstoff werde verbrannt; -wir erhalten dann 9 Gramm Wasser. Lassen wir die Verbrennung im -Kalorimeter vor sich gehen, so finden wir, daß wir etwa 34200 kleine -Wärmeeinheiten (Grammkalorien, cal.) erhalten. Um diese Energie sind 9 -Gramm Wasser von gewöhnlicher Temperatur ärmer als 1 g H + 8 g O von -derselben Temperatur. Wollen wir nun, so schließen wir ~vorläufig~, das -eben gewonnene Wasser wieder in seine beiden Komponenten zerlegen, so -müssen wir die eben gewonnene Energie, die wir die ~Wärmetönung~ des -Prozesses - - 2H + O = H₂O, - -bezogen auf 1 Gramm H, nennen, dem Wasser wieder zuführen. Geschieht -also die Zersetzung mittels des elektrischen Stromes, so müssen wir, -abgesehen von der Jouleschen Wärme, in den elektrolytischen Apparat eine -den 34200 cal. äquivalente Menge elektrischer Energie hineinschicken. -Die elektrische Energie aber, die ein Apparat verbraucht, ist gegeben -durch das Produkt - - Anzahl Coulomb × Spannung zwischen den Elektroden. - -Da nun die Anzahl Coulomb eine gegebene Größe ist, nämlich 96540, und -außerdem das Produkt einer gegebenen Wärmemenge äquivalent ist (34200 -cal.), so muß die Klemmenspannung einen bestimmten Wert haben. - -Bezeichnen wir diese Spannung mit E, so gilt die Beziehung - - 96540 . E Wattsek. (Volt-Coulomb) äquival. 34200 cal. - -1 Wattsekunde ist aber gleichwertig 0,239 cal. Daher - - 96540 . E . 0,239 = 34200 oder - 23070 . E = 34200. - -E ist also ungefähr gleich 1,5 Volt. Man sollte nun erwarten, daß eine -Zersetzung des Wassers mit einer geringeren Spannung als 1,5 Volt nicht -möglich ist. Von verschiedenen Forschern wurde aber nachgewiesen, daß -man bei geeigneter Versuchsanordnung mit elektromotorischen Kräften in -der Nähe von 1,1 Volt Gasentwickelung beobachtet[11]. Die von uns -gezogenen Schlüsse entsprechen demnach nicht den Erfahrungstatsachen; -wir müssen uns daher noch eingehender mit der Beziehung zwischen der -chemischen und elektrischen Energie beschäftigen. - -~Thomsonsche Regel.~ In den galvanischen Elementen, zu denen wir auch -den Akkumulator zu rechnen haben, entsteht die elektrische Energie, die -das Element abgibt, aus chemischer Energie. Wir wählen als Beispiel das -Daniell-Element: Zn in ZnSO₄ + aq und Cu in CuSO₄ + aq, weil bei ihm die -Vorgänge leicht zu übersehen sind. Gibt das Element Strom ab, so geht -Zink in Lösung, und Kupfer schlägt sich auf der positiven Elektrode -nieder. - -~Beide~ Vorgänge kann man durch ~eine~ Gleichung ausdrücken - - Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄ (7). - -Der durch die Gleichung (7) dargestellte Vorgang ist mit -Wärmeentwicklung verbunden; dies kann man dadurch leicht nachweisen, daß -man auf Zinkspäne Kupfervitriollösung gießt. Dann löst sich Zink, und -Kupfer wird abgeschieden. In der Daniell-Kette gehen die Lösung des -Zinks und die Fällung des Kupfers an ~verschiedenen Stellen~ vor sich. -Das Element möge 96540 Coulomb abgegeben haben. Es hat sich dann 1 -Grammäquivalent[12] Zink (65/2 Gramm) gelöst und 1 Grammäquivalent = -63,5/2 g Kupfer hat sich niedergeschlagen. Die dem ganzen chemischen -Umsatze entsprechende Wärme, die man die ~Wärmetönung des Elementes~ -nennt, werde mit q bezeichnet. Man nahm früher an, daß die -elektromotorische Kraft eines galvanischen Elementes durch die -Wärmetönung allein bestimmt sei. Bei dieser Annahme gelangt man zu der -vorhin entwickelten Gleichung - - q - e = -----, - 23070 - -die man die ~Thomsonsche Regel~ nennt. Diese liefert, auf das -Daniell-Element angewandt, einen mit der Erfahrung gut übereinstimmenden -Wert, weil, wie wir später sehen werden, seine elektromotorische Kraft -von der Temperatur unabhängig ist. Bei anderen Elementen findet man aber -einen Unterschied zwischen der berechneten und gemessenen -elektromotorischen Kraft; ganz versagt die Thomsonsche Regel bei den -Konzentrationsketten[13]. - -Thomson ging von der Voraussetzung aus, daß die ~ganze~ dem chemischen -Umsatze entsprechende Energie und ~nur diese~ im Elemente in -elektrische Energie umgewandelt werde, daß sich also das Element während -der Stromabgabe weder erwärme noch abkühle. (Wenn übrigens hier und im -folgenden von der Erwärmung eines Elementes die Rede ist, so soll die -betreffende Wärme nicht als Joulesche Wärme aufgefaßt werden. Wir nehmen -an, daß diese durch die Wahl sehr großer Elektroden, die einen kleinen -Abstand haben, verschwindend klein gemacht sei.) Diese Voraussetzung -trifft aber im allgemeinen, wie durch experimentelle Untersuchungen von -~Braun~, ~Raoult~ u. a. nachgewiesen wurde, nicht zu. - -Durch Anwendung des zweiten Hauptsatzes der mechanischen -Wärmetheorie[14] auf die galvanischen Elemente gelangte ~Helmholtz~ zu -der Gleichung - - q - E = ----- + c . T. - 23070 - -w ist wieder die Wärmetönung, entsprechend dem chemischen Umsatz bei -einer Stromentnahme von 96540 Coulomb, T ist die absolute Temperatur[15] -und c der „~Temperaturkoeffizient~‟. Um diesen neuen Begriff zu -erklären, wählen wir als Beispiel den Akkumulator. Die Säure eines -geladenen Akkumulators habe das spezifische Gewicht 1,15. Durch sehr -genaue Messungen findet man, daß die elektromotorische Kraft mit der -Temperatur wächst und zwar für 1° um 0,0004 Volt. Die Zahl 0,0004 ist -der Temperaturkoeffizient unseres Akkumulators; c gibt also hier an, um -wieviel Volt die elektromotorische Kraft steigt, wenn die Temperatur der -Substanzen des Akkumulators um 1° Celsius erhöht wird. - -Bei dem gewählten Beispiele ist c positiv. In dem Akkumulator wird also -nicht nur die dem chemischen Umsatz entsprechende chemische Energie -(Wärmetönung) in elektrische Energie umgewandelt, sondern auch noch -Wärme, die zunächst den Substanzen des Elementes und dann der Außenwelt -entzogen wird. -- Bei 17° Celsius ist die elektromotorische Kraft des -Akkumulators bei der angenommenen Säuredichte um 290 . 0,0004 = 0,116 -Volt größer, als sie nach der Thomsonschen Regel sein müßte. - -Für die Daniellsche Kette ist der Temperaturkoeffizient gleich Null, so -daß die Helmholtzsche Relation in die Gleichung E = q/23070 übergeht. - -Wenn einer Erhöhung der Temperatur eine Abnahme der elektromotorischen -Kraft eines Elementes entspricht, so ist der Temperaturkoeffizient -negativ. In diesem Falle liefert die Thomsonsche Regel einen zu großen -Wert für die elektromotorische Kraft, und das Element erwärmt sich -während der Stromabgabe, indem ein Teil der Wärmetönung als Wärme zum -Vorschein kommt. - -Die ~Helmholtzsche Relation gilt nur für umkehrbare~ oder reversibel -arbeitende ~Elemente~; kann man umgekehrt nachweisen, daß für ein -Element die Helmholtzsche Relation gilt, so ist es ein umkehrbares. - -Wir sind hier auf die ~Einteilung der galvanischen Elemente in -umkehrbare und nichtumkehrbare~ gestoßen, die kurz besprochen werden -soll: Zu den umkehrbaren Elementen gehört das uns schon bekannte -Daniell-Element. Den stromliefernden Prozess können wir durch die -Gleichung - - Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu - -darstellen, d. h. Zink geht aus dem metallischen Zustand in den -Ionenzustand und Kupfer aus dem Zustand des Ions in den metallischen -über. Hat das Element 96540 Coulomb abgegeben, so hat es eine Arbeit von -96540 . 1,1 Watt geleistet, vorausgesetzt daß die elektromotorische -Kraft 1,1 Volt beträgt. Nach der angegebenen Stromentnahme schicken wir -durch das Element den Strom einer Thermosäule (oder irgend einer anderen -Stromquelle), dessen Richtung die umgekehrte ist, wie die des -Entladestromes; jetzt geht Zink aus dem Zustand des Ions in den -metallischen und Kupfer aus dem metallischen Zustand in den des Ions -über; die im Elemente sich abspielenden Vorgänge, können durch die -Gleichung - - ZnSO₄ + Cu = CuSO₄ + Zn - -dargestellt werden. Die Umkehrbarkeit tritt schon äußerlich zutage; -denn, die letzte Gleichung ist die Umkehrung der vorletzten. Wir können -beide Gleichungen vereinigen zu - - CuSO₄ + Zn ⇄ ZnSO₄ + Cu. - -Für die Entladung ist diese Gleichung von links nach rechts, für die -Ladung von rechts nach links zu lesen. - -Bei der Ladung müssen wir eine elektromotorische Kraft anwenden, die -etwas größer ist als diejenige des Elementes. Ist aber der innere -Widerstand der Kette sehr klein und der Ladestrom nicht groß, so -unterscheidet sich die für die Ladung erforderliche Spannung nur um -einen sehr kleinen Betrag von der elektromotorischen Kraft des -Elementes, und wir können praktisch die Ladespannung zu 1,1 Volt -annehmen. Soll während der Stromzufuhr genau soviel Cu in Lösung gehen, -wie sich bei der Stromabgabe niedergeschlagen hatte, so müssen wir in -das Element gerade soviel Elektrizität hineinschicken, wie wir ihm -entnommen hatten, bei unserer Annahme also 96540 Coulomb. Wenn dieses -geschehen ist, so haben wir das Element wieder in seinen ursprünglichen -Zustand zurückversetzt, und hierzu bedarf es einer elektrischen Energie -von 96540 . 1,1 Watt. - -Der Nutzeffekt ist also theoretisch gleich 100%. In Wirklichkeit liegen -die Verhältnisse etwas anders, weil sowohl bei der Ladung als auch bei -der Entladung der innere, selbst bei großen Elementen nicht unbedeutende -Widerstand überwunden werden muß[16]. Infolgedessen ist bei der -Entladung die nutzbare Spannung, die Klemmenspannung, kleiner als 1,1 -Volt, während die bei der Ladung aufzuwendende E.M.K. größer als 1,1 -Volt ist (siehe auch Polarisation durch Konzentrationsänderungen). - -Die vorigen Betrachtungen lassen sich nicht auf das Voltasche Element - - Zink | verd. Schwefelsäure | Kupfer - -übertragen. Bei dieser Kette geht bei Stromentnahme Zink in Lösung, und -Wasserstoff wird frei (an der Kupferplatte). Der stromliefernde Prozeß -kann demnach durch die Gleichung - - Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂ - -dargestellt werden. - -Bei der Ladung wird das Zink nicht wieder gebildet; es bildet sich -vielmehr Kupfersulfat (Kupfer geht in Lösung), und es wird auch jetzt -Wasserstoff frei: - - Cu + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂. - -Man kann also durch Elektrizitätszufuhr das Element nicht wieder in -seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzen. Nach Entnahme und darauf -folgender Zufuhr von je 96540 Coulomb ist ein Grammäquivalent Zink und -ein Grammäquivalent Kupfer in der Lösung, und zwei Grammäquivalente -Wasserstoff sind in Freiheit gesetzt, so daß also ein gewisser -chemischer Umsatz zu verzeichnen ist, für den eine Kompensation -vorhanden sein muß. Die bei der Ladung dem Element zugeführte -elektrische Energie muß größer sein als die bei der Entladung gewonnene. -Da aber die Strommenge in beiden Fällen dieselbe ist (96540 Coulomb), so -muß die Ladespannung größer sein als die elektromotorische Kraft des -Elementes. „Dies ist nur möglich, wenn durch den Transport von -Elektrizität eine elektromotorische Gegenkraft geweckt wird, d. h. wenn -das Element sich polarisiert‟. (Nernst, Theoretische Chemie.) Das -Voltasche Element, von dem die Rede war, ist ein nichtumkehrbares. - -Unsere Betrachtungen über galvanische Elemente haben uns zu der -Erscheinung der ~Polarisation~ geführt, die bei der Elektrolyse der -verdünnten Schwefelsäure, von der wir ausgegangen sind, eine sehr -wichtige Rolle spielt. Bevor wir die Polarisation vom Standpunkte der -Ionentheorie betrachten, wollen wir uns Klarheit verschaffen über die -~osmotische Theorie der Stromerzeugung~. Als Ausgangspunkt diene ein -Nichtelektrolyt, und zwar wählen wir eine Zuckerlösung. Der feste -Zucker, in Wasser gebracht, hat die Tendenz, seine Moleküle in das -Wasser zu treiben (man vergleiche hiermit die Verdampfungstension). Der -osmotische Druck der bereits in Lösung gegangenen Zuckermoleküle wirkt -der ~Lösungstension~ entgegen, er sucht Zuckermoleküle auf die -Zuckerstückchen zu befördern. Solange die Lösung nichtgesättigt ist, -überwiegt der Lösungsdruck (die Lösungstension). Dieser ist also gleich -dem osmotischen Drucke einer gesättigten Zuckerlösung. - - Wir haben also ähnliche Verhältnisse wie bei der Verdampfung; der - Verdampfungstension wirkt der Dampfdruck entgegen, und die Verdampfung - geht solange vor sich, bis sich die beiden Kräfte das Gleichgewicht - halten. - -Nach der ~Nernstschen Theorie~ hat jedes Metall, das in Wasser oder in -eine Lösung eingetaucht wird, mehr oder weniger das Bestreben sich zu -lösen; man muß den Metallen also eine Lösungstension zuschreiben. Von -anderen Substanzen unterscheiden sich die Metalle aber wesentlich -dadurch, daß sie nicht anders als positiv geladen, d. h. in Gestalt -positiver Ionen, in Lösung zu gehen imstande sind. Man bezeichnet daher -ihre Lösungstension als ~elektrolytische~. Befinden sich in der Lösung -Ionen des betreffenden Metalles, so wirkt der osmotische Druck dieser -Ionen der Lösungstension entgegen. - -[Illustration: Fig. 1.] - -Das Zink hat eine außerordentlich hohe Lösungstension, sie ist größer -als der höchste erreichbare osmotische Druck der Zinkionen in -Zinksalzlösung. Taucht man daher eine Zinkstange in Zinksulfatlösung -ein, so treibt das Zink Ionen in die Lösung hinein, wie dies in Fig. 1 -schematisch angedeutet ist. Infolgedessen wird das Metall negativ -elektrisch und die Flüssigkeit in nächster Nähe positiv. - -Die in die Lösung getriebenen Zinkionen befinden sich in unmittelbarster -Nähe des Zinkstabes und werden von der negativen Elektrizität der -Elektrode angezogen. Wie man leicht einsieht, wirkt die elektrostatische -Anziehung („ungleichnamige Elektrizitäten ziehen sich gegenseitig an‟) -in demselben Sinne wie der osmotische Druck der vorhandenen Zinkionen -und entgegen der Lösungstension. Sie erreicht wegen des außerordentlich -kleinen Abstandes der beiden Ladungen, schon wenn ganz minimale Mengen -Zink in Lösung gegangen sind, einen außerordentlich hohen Wert. Noch ehe -wägbare Mengen Zink in Lösung gegangen sind, hat sich ein -Gleichgewichtszustand ausgebildet. - -Die Lösungstension des Kupfers ist klein; sie ist kleiner als der -osmotische Druck selbst sehr stark verdünnter Kupfersulfatlösungen. Wenn -man also einen Kupferstab in Kupfervitriollösung eintaucht, so gehen, -getrieben durch den osmotischen Druck, Kupferionen aus der Lösung auf -den Kupferstab; das Kupfer wird also positiv und die Flüssigkeit negativ -elektrisch. Auch hier bildet sich bald ein Gleichgewichtszustand aus. -Das Potential macht an der Grenze Metall -- Flüssigkeit einen Sprung. - -Wenn man beim Daniell-Element den Zinkstab und die Kupferelektrode -miteinander verbindet, so fließt positive Elektrizität von der Kupfer- -und negative von der Zinkelektrode weg, das Gleichgewicht an beiden -Elektroden wird gestört, so daß neues Zink in Lösung gehen und neues -Kupfer sich auf der positiven Elektrode niederschlagen kann. An der -einen Elektrode werden also positive Ionen in den Elektrolyten hinein-, -an der anderen aus dem Elektrolyten herausgedrückt. - -Wir wollen jetzt annehmen, daß wir ~verdünnte Schwefelsäure zwischen -Platinelektroden elektrolysieren~. An der Kathode wird Wasserstoff frei. -Platin hat nun die Fähigkeit, Gase, besonders Wasserstoff, zu -absorbieren. Man kann sich hiervon leicht durch den Augenschein -überzeugen: Man schalte in den Stromkreis ein Amperemeter ein; obschon -dieses bei Stromschluß einen stärkeren Strom anzeigt, beobachtet man -doch nicht sofort das Auftreten von Gasblasen. Das unmittelbar nach -Stromschluß entwickelte Gas dringt in das Platin ein und zwar zunächst -in eine unendlich dünne an der Oberfläche liegende Schicht, es wird -gelöst (okkludiert). Ferner wird ein Teil des nach Stromschluß frei -gewordenen Wasserstoffs bezw. Sauerstoffs von dem Elektrolyten -absorbiert. - -[Illustration: Fig. 2.] - -Wir haben also, wenn der zersetzende Strom, der primäre Strom, kurze -Zeit durch den Wasserzersetzungsapparat geflossen ist, eine mit -Wasserstoff und eine mit Sauerstoff beladene Elektrode in verdünnter -Schwefelsäure vor uns, und diese Kombination ist ein galvanisches -Element, die sogen. ~Knallgaskette~. Unterbrechen wir den primären -Strom, so fließt bei der Schaltung nach Fig. 2[17] ein Strom durch das -Voltmeter (~Polarisationsstrom~). Die elektromotorische Kraft unserer -Gaskette nimmt nach Abschaltung der den Zersetzungsstrom liefernden -Stromquelle schnell ab, auch wenn man ihr keinen Strom entnimmt, indem -die von den Elektroden absorbierten Gase in die Flüssigkeit und in die -tieferen Schichten der Elektroden hineindiffundieren, sodaß die -Konzentration der Gase in den Elektroden kleiner wird. - -Sobald die Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure beginnt, wird unser -elektrolytischer Apparat in eine Knallgaskette umgewandelt. Die -abgeschiedenen Gase haben das Bestreben, in den Ionenzustand -zurückzukehren, und es wird eine elektromotorische Gegenkraft geweckt. -Diese sucht einen Strom ins Leben zu rufen, der den Batteriestrom -bekämpft. Das Auftreten einer elektromotorischen Gegenkraft in einem -elektrolytischen Apparate nennt man ~Polarisation~[18]. - - Die bei der Elektrolyse des Wassers auftretende Polarisation ist von - verschiedenen Umständen abhängig, von der Natur, Gestalt, Größe der - Elektroden, von den Veränderungen, die sie während der Elektrolyse - erleiden, von den Konzentrationsänderungen des Elektrolyten an den - Elektroden, von der Stromdichte etc. - -Um eine ~Gaselektrode~ zu erhalten, steckt man ein platiniertes -Platinblech von unten in ein oben geschlossenes Rohr, dessen unterer -Teil in den Elektrolyten eintaucht. Das Rohr sei mit dem betreffenden -Gase (z. B. Wasserstoff) derart gefüllt, daß sich das Platinblech zum -großen Teil im Gase befindet, zum kleinen Teile in der Flüssigkeit (Fig. -3). Das platinierte Platin absorbiert eine gewisse Gasmenge, es ist -selbst elektromotorisch nicht tätig, dient nur als Zu- und Ableiter der -Elektrizität. „Vermöge seines Lösungsvermögens für Gase kommt ihm die -Fähigkeit zu, den Übergang aus dem Gas- in den Ionenzustand und -umgekehrt ohne Hindernis zu gestatten. Eine solche Elektrode, z. B. eine -Wasserstoffelektrode, gehört, wie ~Le Blanc~ experimentell gezeigt hat, -zu der Klasse der umgekehrten Elektroden (wie Kupfer in -Kupfersulfatlösung). Dieselbe Arbeit, die wir beim freiwilligen -Übergang aus dem Gas- in den Ionenzustand gewinnen können, müssen wir -aufwenden, um den Vorgang rückgängig zu machen.‟ (Le Blanc, Lehrbuch der -Elektrochemie, S. 162.) - -[Illustration: Fig. 3.] - -Tauchen zwei Gaselektroden der beschriebenen Art, und zwar eine von -Wasserstoff und eine von Sauerstoff bespülte, in verdünnte Schwefelsäure -(s. Fig. 3), so erhält man eine Knallgaskette, die längere Zeit, falls -der entnommene Strom eine gewisse Stärke nicht überschreitet, eine -konstante elektromotorische Kraft hat. Der Vorgang in der Kette ist nach -~Glaser~ folgender: Die Sauerstoffelektrode sendet Sauerstoffionen in -den Elektrolyten[19]. Dort verbinden sie sich mit zwei Wasserstoffionen -zu Wasser. Das überschüssige SO₄-Ion veranlaßt zwei Atome des -okkludierten Wasserstoffs als Ionen in die Lösung zu treten[20]. Der -stromliefernde Prozeß ist also die Vereinigung von Wasserstoff und -Sauerstoff zu Wasser. - -Die elektromotorische Kraft der Knallgaskette hängt von dem Drucke ab, -unter dem die Gase stehen. Von diesem Drucke hängt die Konzentration des -Gases (nicht der Ionen) in der Lösung und von dieser die Konzentration -des in der Elektrode absorbierten Gases ab; je größer aber diese -letztere Konzentration ist, um so größer wird die elektrolytische -Lösungstension des Gases, um so größer auch die elektromotorische Kraft. - -Bei Atmosphärendruck beträgt die elektromotorische Kraft der -Knallgaskette etwa 1,1 Volt. Erniedrigt man den Druck, so nimmt die -elektromotorische Kraft ab; ist der Druck der beiden Gase so klein, daß -er nahezu Null ist, so hat die elektromotorische Kraft einen sehr -kleinen Wert. Schalten wir eine elektromotorische Kraft entgegen (d. h. -verbinden wir den positiven Pol einer fremden Stromquelle mit der -Sauerstoffelektrode usw.), die die elektromotorische Kraft der -Knallgaskette nur um einen ganz geringen Betrag übertrifft, so wird das -zwischen den Elektroden befindliche Wasser zersetzt. - -Die ~Wasserzersetzung zwischen platinierten Platinelektroden ist daher -ein reversibler Vorgang~ oder die Knallgaskette gehört zu den -umkehrbaren Elementen. - -Für den Fall, daß die Elektrolyse sichtbare Gasblasen liefert, ist die -Zersetzungsspannung, d. h. die Potentialdifferenz der beiden Elektroden, -um die anodische und kathodische Überspannung größer als die -elektromotorische Kraft der Knallgasketten (ca. 1,1 Volt). Le Blanc wies -nach, daß die Mindestspannung bei Platinelektroden 1,68 Volt beträgt. - -Berücksichtigen wir, daß die elektromotorische Kraft der Knallgaskette -mit abnehmendem Drucke der beiden Gase kleiner wird, so ergibt sich das -höchst beachtenswerte Resultat, daß die zur Zersetzung des Wassers -aufzuwendende Energie von einem sehr kleinen Betrage bis zu einer -gewissen Höhe variieren kann. - - Auch dann, wenn man einen Wasserzersetzungsapparat mit einer - Stromquelle verbindet, deren elektromotorische Kraft kleiner als 1,1 - Volt ist, fließt, wie man an einem eingeschaltenen Galvanometer - erkennen kann, Strom durch die Zelle. Da nach Unterbrechung des - Stromes ein Polarisationsstrom nachweisbar ist, so muß eine - Elektrolyse stattgefunden haben. Man kann dies folgendermaßen - erklären: Beim Einschalten ist noch keine elektromotorische Gegenkraft - vorhanden; es fließt also Strom durch die Zelle, und es werden geringe - Mengen H und O an den Elektroden abgeschieden. Diese werden von den - unmittelbar an der Oberfläche liegenden (unendlich dünnen) Schichten - der Elektroden absorbiert, und es entsteht eine Gegenspannung. Da dann - der absorbierte Wasserstoff bezw. Sauerstoff in die tiefer gelegenen - Schichten der Elektrode und in die umgebende Flüssigkeit - hineindiffundiert, so sinkt die Gegenspannung. Würde diese Gasabgabe - nicht erfolgen, so würde bald die Gegenspannung gleich der - elektromotorischen Kraft der Stromquelle sein und der Strom - verschwinden. - -Außer der Gaspolarisation kommen bei galvanischen Elementen und -bei der Elektrolyse noch ~Störungen~ in Betracht, die ~durch -Konzentrationsänderungen~ innerhalb des Elektrolyten ~verursacht~ -werden. - -Die beiden Ionenarten eines Elektrolyten erfahren zwar, falls sie gleich -große Ladungen haben, gleichen Antrieb in dem Felde zwischen den -Elektroden, sie haben aber, da ihre Beschaffenheit (Masse, Größe) nicht -die gleiche ist, verschiedene Widerstände zu überwinden (Hittorf). - -Infolge ungleicher Wanderungsgeschwindigkeit der beiden Ionenarten wird -nun der Elektrolyt in der Nähe der einen Elektrode stärker, in der Nähe -der anderen Elektrode schwächer konzentriert. - -Elektrolysiert man z. B. Kupfervitriollösung zwischen Kupferelektroden, -so wird, obschon der gesamte Gehalt an CuSO₄ unverändert bleibt, der -Elektrolyt in der Nähe der positiven Elektrode reicher und in der Nähe -der Kathode ärmer an CuSO₄; die Konzentrationsänderungen werden bei -größerer Stromdichte nach etwa 1 Stunde ohne weiteres sichtbar, wenn man -als elektrolytischen Apparat eine Röhre benutzt, deren Achse vertikal -gerichtet ist, wie es in der Fig. 4 angedeutet ist. Indirekt kann man -die Konzentrationsunterschiede dadurch nachweisen, daß man nach -Abschaltung der den Zersetzungsstrom liefernden Stromquelle die -Elektroden mit einem Galvanoskop verbindet. Die elektromotorische Kraft -der Konzentrationskette, in die sich ein elektrolytischer Apparat bei -(längerem) Stromdurchgang verwandelt, ist der elektromotorischen Kraft -der Batterie ebenfalls entgegengesetzt gerichtet. - -[Illustration: Fig. 4.] - - Wie sich aus den vorhergehenden Betrachtungen ergibt, ist die - Polarisation bei der Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure - keineswegs eine konstante Größe. Man kann sich hiervon leicht in - folgender Weise überzeugen: Man messe bei verschiedenen Stromstärken - i₁, i₂, i₃ die Klemmenspannung des Wasserzersetzungsapparates; die - gefundenen Werte seien e₁, e₂, e₃. Unter der Annahme, daß die - Polarisation konstant sei, berechne man aus je zweien der drei - Gleichungen - - e₁ - e e₂ - e e₃ - e - i₁ = ------, i₂ = ------, i₃ = ------ - w w w - - (e = elektromotorische Kraft der Polarisation) - - den Widerstand w des elektrolytischen Apparates; man erhält dann für w - Werte, die sehr verschieden sind. - -Wir haben früher durch (vorläufige) energetische Berechnungen das -Resultat abgeleitet, daß die Spannung, die für die Zersetzung des -Wassers nötig ist, etwa 1,5 Volt betragen müßte; andererseits haben wir -gesehen, daß man schon bei elektromotorischen Kräften von etwa 1,1 Volt -eine Elektrolyse des Wassers beobachtet hat. Es fragt sich, wie man den -(scheinbaren) Widerspruch beseitigt. Zunächst ist zu berücksichtigen, -daß bei der Elektrolyse des Wassers keineswegs der Prozeß - - 2H + O = H₂O - -rückgängig gemacht wird[21]; das wäre richtig, wenn durch den Strom erst -eine Zerlegung der Wassermoleküle in ihre beiden Komponenten bewirkt -würde. Die Tätigkeit des Stromes besteht aber darin, daß ~vorhandene~ -Ionen in den atomistischen Zustand übergeführt werden; es spielen sich -also bei der Elektrolyse die den folgenden Gleichungen entsprechenden -Vorgänge ab: - - 2H· + 2⊖ = 2H[22] - O′′ + 2⊕ = O bezw. - 2OH′ + 20⊕ = 2OH und - H + H = H₂ } Molekülbildung - O + O = O₂ } - bezw. 2OH = H₂O + O. - -Wir sind gar nicht berechtigt, zu behaupten, daß die diesen Prozessen -entsprechende Energie gleich ist der Wärmetönung des Vorganges, bei dem -sich Wasserstoff und Sauerstoff miteinander verbinden[23]. Ferner haben -wir gesehen, daß bei gewissen galvanischen Elementen nicht nur die der -Wärmetönung entsprechende Energie in elektrische umgewandelt wird, -sondern auch noch Wärme, die den Substanzen des Elementes bezw. der -Außenwelt entzogen wird: dementsprechend dürfen wir ~bei der Elektrolyse -nicht erwarten, daß die Zersetzungsspannung durch die Wärmetönung allein -bestimmt sei~. - - Die Helmholtz’sche Relation gilt, wie wir gesehen haben, für - umkehrbare galvanische Elemente. Ist die Knallgaskette ein umkehrbares - Element, so dürfen wir auf dasselbe die Helmholtz’sche Gleichung - anwenden. Smale fand, wie bereits bemerkt wurde, daß bei 1,1 Volt[24] - zwischen Palladiumelektroden, die bekanntlich Wasserstoff sehr stark - absorbieren, eine sichtbare Gasentwicklung stattfand. Bei mäßiger - Entladung zeigte das Gaselement bei 20° Celsius dieselbe - elektromotorische Kraft (also 1,1 Volt). Wenden wir die Helmholtz’sche - Relation an, so ergibt sich die Gleichung: - - 34200 - 1,1 = ----- + c . 293. - 23070 - - Hieraus ergibt sich für den Temperaturkoeffizient c der Wert -0,0014. - Durch Messungen ergab sich, daß der Temperaturkoeffizient den aus der - Helmholtz’schen Gleichung gefundenen Wert hat. Die Wasserzersetzung - resp. Wasserbildung mit 1,1 Volt ist also ein reversibler Prozeß. - - [1] Die Frage, welche Verbindung des Bleies mit Sauerstoff sich - bildet, ist unwesentlich. Aus dem vorhandenen Oxyde bildet die Säure - wahrscheinlich zuerst Bleisulfat, und dieses wird zu Blei reduziert. - - [2] Allerdings nicht vollständig; mit wachsendem Druck wird der - Unterschied in der Durchlässigkeit immer kleiner. - - [3] Schon ~Helmholtz~ hatte in seiner Faraday-Rede der Elektrizität - eine atomistische Struktur zugeschrieben. Die Elektrizitätsatome - sollen im Folgenden als ~Elektronen~ bezeichnet werden; für diese - wählen wir die Symbolen ⊕ und ⊖. Die Elektronen sehen wir als neue - einwertige Elemente an. Ein positives Elektron kann sich mit einem - negativen vereinigen zu einem Neutron ⊕-⊖. - - [4] Dieses wurde von zwei schwedischen Forschern, ~Guldberg~ und - ~Waage~, aufgestellt. Näheres siehe Nernst, Theoretische Chemie. - - [5] Dieses oder ein anderes vorhandenes Kupfersulfatmolekül spaltet - sich elektrolytisch, so daß das SO₄-Ion neu gebildet wird. Der Effekt - ist also derselbe, als ob ein Kupferatom der positiven Elektrode, mit - Elektrizität beladen, also als Ion, in die Lösung gegangen wäre. Nimmt - man dieses an, so ist der ganze Vorgang rein primär. - - [6] S. Nernst, Theoretische Chemie, 4. Aufl., S. 468. - - [7] Caspari, Zeitschr. für physik. Chemie, 1899, 30, 89. - - [8] Bei höherer Stromdichte (Anzahl Ampere pro 1 dm²) wächst die - Überspannung noch und erreicht ihren maximalen Wert erst, nachdem die - Elektrolyse längere Zeit in Gang gehalten worden ist. Ähnliches gilt - für die anodische Überspannung. - - [9] ~Coehn~ und ~Osaka~, Zeitschr. für anorganische Chemie, 1903, - =34=, 86. - - [10] Näheres s. ~H. Danneel~, Spezielle Elektrochemie, S. 44, und über - die Bildung von Überschwefelsäure ebendaselbst S. 67. - - [11] ~Smale~ benutzte Palladiumelektroden, die bekanntlich die - abgeschiedenen Gase, besonders Wasserstoff in hohem Grad zu - absorbieren vermögen; er beobachtete schwache Gasentwicklung bei 1,062 - Volt (~Arrhenius~, Lehrbuch d. Elektrochemie, 1901, S. 241). ~Nernst~ - und ~Glaser~ (ebenso ~Bose~) konnten nachweisen, daß eine sichtbare - Gasentwicklung schon bei 1,08 Volt eintritt, wenn man eine kleine - Platinspitze als Kathode und eine große platinierte Platinplatte (eine - unpolarisierbare Elektrode) als Anode benutzt. Bei dieser Spannung - werden die Sauerstoff- und Wasserstoffionen entladen. Über den - Reststrom s. S. 14 und 29. - - [12] Aus der Formel - - H₂O schließen wir, daß 1 g H bindet 8 g O; - 8 g O = 1 Grammäquiv. O. - HCl „ „ „ 1 g H „ 35,5 g Cl; - 35,5 g Cl = 1 „ Cl. - Na(OH) „ „ „ 23 g Na ersetzen 1 g H; - 23 g Na = 1 „ Na. - - Aus den Formeln H₂SO₄ und ZnSO₄ schließen wir, daß 65 g Zn ersetzen 2 - g H, oder daß 65/2 g Zn äquivalent sind 1 g H usw. Chemisch - äquivalente Mengen enthalten im Ionenzustand gleiche - Elektrizitätsmengen (~Faraday’sches Gesetz~). 1 Grammäquivalent - enthält im Ionenzustand 96540 Coulomb. - - [13] Schichtet man z. B. über eine starke Kupferchloridlösung eine - schwache Lösung desselben Salzes und taucht in beide Lösungen - Kupferelektroden ein, so findet man, daß ein Galvanoskop, dessen - Klemmen man mit den Elektroden verbindet, einen Strom anzeigt. An der - einen Elektrode geht Kupfer in Lösung, an der anderen schlägt sich - Kupfer nieder. Die elektrische Energie entsteht hier überhaupt nicht - aus chemischer Energie. - - [14] Näheres siehe ~Ostwald~, Entwicklung der Elektrochemie, Leipzig - 1910. - - [15] Ist t die Temperatur in Celsius-Graden, so ist 273 + t = T die - absolute Temperatur. - - [16] Auch aus anderen Gründen ist das Element als Akkumulator - praktisch nicht brauchbar. - - [17] _B_ = Batterie, _W_ = Kurbelrheostat, _A_ = Ampèremeter, _V_ = - Voltmeter, _An_ = Anode, _K_ = Kathode. - - [18] Von einer Gaspolarisation kann beim Bleiakkumulator höchstens - gegen Ende der Ladung die Rede sein. - - [19] Alle negative Ionen liefernde Elemente haben einen hohen - Lösungsdruck. - - [20] Vor Stromschluß verhinderte der osmotische Druck der - Wasserstoffionen innerhalb des Elektrolyten das Eindringen der - Wasserstoffionen. -- Verschwinden aus der Säure zwei Wasserstoffionen, - so ist das Gleichgewicht gestört. - - [21] Das geschieht, wenn man Wasserdampf sehr stark erhitzt. - - [22] Das Wasserstoffion hat einen anderen Energieinhalt als das - Wasserstoffatom, d. h. dem oben angegebenen Prozesse entspricht eine - Wärmetönung. Diese ist allerdings im vorliegenden Falle nicht groß, - bei anderen Ionen aber hat sie bedeutende Werte. - - [23] Wenn man eine Säure und eine Base, beide in wässeriger Lösung, - mischt, so verbinden sich Wasserstoff- und Hydroxylionen zu Wasser. - Beim Zusammentreten von 1 Gramm Wasserstoffionen mit der - entsprechenden Menge OH-Ionen werden 13700 cal. frei. Wir dürfen daher - annehmen, daß, wenn durch elektrolytische Dissoziation des Wassers 1 - Gramm H-Ionen entsteht, 13700 cal. verbraucht werden. Diese Wärme wird - dem Wasser bezw. der Umgebung entzogen. Man ist daher eher berechtigt - zu sagen: die Wärmetönung, die der Elektrolyse des Wassers entspricht, - ist (34200-13700) cal., als zu behaupten, sie beträgt 34200 cal. - - [24] Die elektromotorische Kraft, die der Bildung von Wasser aus den - Elementen, beide von ~Atmosphären~druck, entspricht, wird neuerdings - zu 1,23 Volt angegeben (siehe Handbuch der anorganischen Chemie. 2. - Band, 1. Abteilung. S. 85). - - - - -Zweites Kapitel. - -Die Theorie des Bleiakkumulators. - - -Die ~Geschichte des Akkumulators~ beginnt mit ~Ritters~ Entdeckung der -Polarisationsströme. ~Sinsteden~ erhielt besonders kräftige -Polarisationsströme, als er statt Platin Blei benutzte. Das Verdienst -aber, die Bedeutung des Bleies für die Aufspeicherung der elektrischen -Energie erkannt zu haben, gebührt ~Planté~[25]. Seine ersten Versuche -fielen in die Mitte des vorigen Jahrhunderts, 1879 trat er mit seiner -Erfindung hervor (s. auch Kap. 6). - -~Chemische Theorie.~ Zunächst soll die Stromerzeugung im Bleiakkumulator -besprochen werden, ohne daß auf die Ionentheorie Rücksicht genommen -wird, d. h. vom rein chemischen Standpunkte aus. - -~Planté~ war der Ansicht, daß nur die Elemente des Wassers bei der -Ladung und Entladung an den chemischen Veränderungen, die sich an den -Elektroden abspielen, beteiligt seien. Welche Oxydationsstufe des Bleies -sich an der positiven Elektrode bildet, läßt Planté offen. Das Bild, das -er sich von den Vorgängen verschafft hat, dürfte etwa folgendes sein: -Bei der Entladung wird Bleisuperoxyd (PbO₂) durch Wasserstoff, der -durch die Zersetzung des Wassers frei wird, in eine niedrigere -Oxydationsstufe verwandelt, und Blei wird durch Sauerstoff oxydiert. Das -durch den Strom zersetzte Molekül Wasser wird an der positiven Elektrode -wieder gebildet. Mithin müßte das spezifische Gewicht der Säure während -der Entladung konstant bleiben. Die Erfahrung lehrt uns aber, daß dies -nicht der Fall ist. Die Änderungen der Säuredichte während der Ladung -und Entladung hatte Planté zwar auch beobachtet, aber merkwürdiger Weise -nicht bei der Aufstellung der Theorie verwertet. - -Im Laufe der Zeit sind eine ganze Reihe von Theorien über die chemischen -Vorgänge im Akkumulator aufgestellt worden, von denen verschiedene den -Grundsätzen der physikalischen Chemie ganz und gar widersprechen. Es -soll hier nur diejenige Theorie besprochen werden, die, wie ~Dolezalek~ -in seinem bekannten Werke über Akkumulatoren[26] sagt, bis auf den -heutigen Tag alle Anfechtungen siegreich bestanden hat; es ist dies die -~Sulfattheorie~, als deren Begründer die englischen Forscher ~Gladstone~ -und ~Tribe~ (1883) anzusehen sind. Nach dieser Theorie bildet sich bei -der Entladung an beiden Elektroden Bleisulfat; die Vorgänge können durch -die beiden folgenden Gleichungen dargestellt werden: - - +Elektrode: PbO₂ + H₂ + H₂SO₄ = PbSO₄ + 2H₂O, - -Elektrode: Pb + SO₄ = PbSO₄. - -Durch Addition erhalten wir die dem ~ganzen~ stromliefernden Prozeß -entsprechende Gleichung: - - PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O (1). - -[Illustration: Fig. 5.] - -Bei der Ladung (s. Fig. 5) tritt der Strom an der positiven Elektrode in -die Flüssigkeit ein. Da der Wasserstoff mit dem Strom wandert, so wird -er jetzt an der negativen Platte frei (bei der Entladung an der -positiven Elektrode). Die Prozesse, die sich bei der Ladung abspielen, -entsprechen den folgenden Gleichungen: - - +Elektrode: PbSO₄ + SO₄ + 2H₂O = PbO₂ + 2H₂SO₄ - -Elektrode: PbSO₄ + H₂ = Pb + H₂SO₄. - -Addiert man die beiden Gleichungen und zieht auf beiden Seiten 1 Molekül -Schwefelsäure ab, so erhält man - - 2PbSO₄ + 2H₂O = PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ (2). - -Die beiden Gleichungen (1) und (2) kann man zu einer einzigen -zusammenfassen: - - PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ⇄ 2PbSO₄ + 2H₂O (3). - -Während der Ladung wird also Wasser verbraucht und Schwefelsäure -gebildet, so daß unsere Gleichung der bekannten Tatsache Rechnung trägt, -daß die ~Säuredichte bei Stromzufuhr größer wird~; während der -~Entladung~ wird nach unserer Gleichung Schwefelsäure verbraucht und -Wasser gebildet, so daß die ~Konzentration~ der Säure ~abnimmt~. - -Wir wollen zunächst die in unserer Gleichung vorkommenden Substanzen -kurz besprechen und vor allem zusehen, wieviel Gramm von jeder einzelnen -pro Amperstunde verbraucht oder gebildet werden. - -Das Bleisuperoxyd hat eine braunrote Farbe. Es leitet in der festen -Form, wie es auf den Platten der Akkumulatoren vorkommt, nach -~Streintz~[27] die Elektrizität halb so gut wie Quecksilber. Der -Verbrauch pro Amperstunde kann folgendermaßen berechnet werden. Auf 2 -Atome Wasserstoff, die herauselektrolysiert werden, kommt gemäß der -Gleichung - - PbO₂ + H₂ + H₂SO₄ = PbSO₄ + 2H₂O - -ein Molekül PbO₂, das umgewandelt wird; auf 1 Gramm Wasserstoff kommen -also (206,5 + 32):2 = 119,25 g Bleisuperoxyd. Da durch 96540 Coulomb 1 -Gramm Wasserstoff abgeschieden wird, so werden durch 1 Amperstunde = -3600 Coulomb an Wasserstoff 3600/96540 = 0,0373 g entwickelt. Der -Verbrauch an PbO₂ pro Amperstunde beträgt also 119,25 . 0,0373 g = 4,46 -Gramm. - -2) Das Blei ist ein weiches Metall von hohem spezifischen Gewichte; sein -elektrochemisches Äquivalent ist, da es zweiwertig ist, 206,5/2 = -103,25, also ein sehr hohes (man vergleiche hiermit das -Äquivalentgewicht des dreiwertigen Aluminiums). Da die Träger der -aktiven Masse, d. h. der an dem chemischen Umsatze beteiligten Stoffe, -aus Blei bestehen müssen, so ist der Bleiakkumulator ein schwerer -Akkumulator. Das aktive Blei ist porös, schwammig (Bleischwamm). Pro -Amperstunde, die der Akkumulator abgibt, müssen 0,0373 × 206,5/2 = 3,85 -g Bleischwamm vorhanden sein. - -3) Verdünnte Schwefelsäure von der bei Akkumulatoren üblicher -Konzentration ist ein Elektrolyt von ausgezeichnetem Leitungsvermögen -(näheres siehe Kap. 3). Wenn 2 Atome Wasserstoff zur Abscheidung -gelangen, werden, wie man aus den beiden auf die Entladung sich -beziehenden Gleichungen ersieht, 2 Moleküle Schwefelsäure verbraucht. Da -das Molekulargewicht der Schwefelsäure 98 ist, so kommen auf 1 g -Wasserstoff 98 g Schwefelsäure. Verbrauch pro Amperstunde also 3,66 g. - -4) Ähnlich findet man, daß pro Amperstunde 18 . 0,0373 = 0,67 Gramm -Wasser bei der Entladung frei werden. - -5) Das Bleisulfat ist in verdünnter Schwefelsäure nur sehr wenig -löslich; infolgedessen bleibt es an den Elektroden haften. Die -Löslichkeit hängt von der Säuredichte ab; sie ist bei 1,22 Säuredichte -ein Minimum, es lösen sich in 1 l solcher Säure nur 12 mgr.[28]. - -~Beweise für die Richtigkeit der Sulfattheorie oder der Gleichung 3.~ An -der Tatsache, daß sich an der negativen Elektrode bei der Ladung Blei -(und nur dieses) bildet, wird wohl kaum noch von jemand gezweifelt; wohl -aber wird hier und da bestritten, daß sich an der positiven Platte nur -Bleisuperoxyd bildet. So z. B. behauptet Darrieus[29], daß geladene -positive Platten Bleisuperoxyd enthalten, das mit Überschwefelsäure -durchtränkt ist. Die Bildung von Überschwefelsäure ist bei normalen -Verhältnissen aus verschiedenen Gründen unwahrscheinlich; bei Ladung mit -sehr hoher Stromdichte, bei der die Klemmenspannung einen hohen Betrag -annimmt, ist sie allerdings nicht unmöglich (s. S. 13), indem dann die -Dichte der Säure in den Poren der aktiven Masse und in der nächsten -Umgebung, wie später gezeigt wird, stark ansteigt, und großer -Säuregehalt für die Bildung von Überschwefelsäure günstig ist. Wird aber -mit den üblichen Stromdichten geladen, so daß die Spannung nicht über -2,7 bis 2,8 Volt steigt (Ende der Ladung), so ist die Entstehung von -Überschwefelsäure höchst unwahrscheinlich. - -Der Akkumulator wäre ferner kein umkehrbares Element, wenn -Überschwefelsäure entstände, da der betreffende Vorgang nicht reversibel -ist; wir werden aber sehen, daß die Helmholtz’sche Gleichung, auf den -Akkumulator angewendet, zu einem richtigen Werte für die -elektromotorische Kraft führt, daß also der Bleiakkumulator zu den -umkehrbaren Elementen zu rechnen ist. Setzt man endlich dem Akkumulator -Überschwefelsäure[30] zu, so sinkt die elektromotorische Kraft, während -sie bei der Ladung langsam steigt. [Durch Versuche von ~Mugdan~[31] -dürfte die Darrieus’sche Theorie übrigens endgültig widerlegt sein.] - -Verschiedene Forscher haben durch chemische Analyse nachgewiesen, daß -sich Bleisuperoxyd in einer unserer Gleichung entsprechenden Weise -bildet. Ferner spricht für die Bildung von Bleisuperoxyd folgender -Versuch. Kombiniert man eine geladene positive Akkumulatorplatte in -verdünnter Schwefelsäure mit einem amalgamierten Zinkstab, so findet -man, daß das betreffende Element eine elektromotorische Kraft von 2,4 -Volt hat; ersetzt man die Akkumulatorplatte durch eine Bleiplatte, die -mit einem Überzug von künstlich dargestellten PbO₂ versehen ist, so hat -diese Kombination ebenfalls eine elektromotorische Kraft von 2,4 Volt. - -Daß sich bei der Entladung Bleisulfat gemäß unserer Gleichung bildet, -kann durch Messungen der Säuredichte nachgewiesen werden. Die einer -bestimmten Strommenge entsprechende Abnahme der Konzentration kann -nämlich aus der Menge der vorhandenen Säure und dem anfänglichen -spezifischen Gewichte derselben leicht berechnet werden. ~W. Kohlrausch~ -und ~C. Heim~, die diesbezügliche Messungen ausführten, fanden, daß die -berechnete Änderung der Säuredichte mit der durch Aräometermessung -gefundenen sehr gut übereinstimmt[32]. - - ~E. Sieg~[33], der die Versuche in dem Laboratorium der Kölner - Akkumulatoren-Werke wiederholen ließ, fand, daß die nach unserer - Gleichung zu erwartende Bildung von 3,66 Gramm Schwefelsäure nie - beobachtet wurde. Wahrscheinlich wurden die gefundenen Abweichungen - durch die in den Poren der aktiven Masse eingeschlossene Säure - verursacht. - -Den Nachweis, daß sich bei der Entladung aus Blei, Bleisuperoxyd und -Schwefelsäure im Sinne unserer Gleichung Bleisulfat und Wasser bilden -und ~zwar primär~ (stromliefernd, wie der chemische Umsatz im -Daniell-Elemente), kann man durch ~thermodynamische Berechnungen~ -führen, indem man nämlich die Helmholtz’sche Relation (s. S. 19) auf den -Akkumulator anwendet: Unserer von links nach rechts gelesenen Gleichung -(3) entspricht ein bestimmter chemischer Umsatz, bei dem eine gewisse -Wärmemenge frei wird (die gesamte Energie des Systems nimmt ab). Die -Wärmetönung (Änderung der gesamten Energie), bezogen auf diejenigen -Mengen Blei, Bleisuperoxyd und Schwefelsäure, die einer Stromentnahme -von 96540 Coulomb entsprechen, sei q. Eine direkte Bestimmung von q im -Kalorimeter ist wegen des langsamen Verlaufes der Reaktionen nicht -ausführbar. Man kann aber aus bekannten Wärmetönungen die dem Umsatze - - Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O - -entsprechende Reaktionswärme berechnen. Hierbei benutzt man den Satz der -konstanten Wärmesumme; nach diesem ist die Wärmetönung unabhängig von -dem Wege, auf dem man ein chemisches System aus einem gegebenen -Anfangszustand in einen bestimmten Endzustand überführt[34]. - -q ist von der Dichte der Akkumulatorsäure abhängig. Wir wollen zunächst -annehmen, daß das spezifische Gewicht der Säure 1,044 sei. Nach -~Streintz~ ist bei dieser Säuredichte die Wärmetönung q = 42850 cal., -nach ~Tscheltzow~ beträgt sie 43850. Wir wählen das arithmetische Mittel -aus diesen beiden Werten, setzen also - - q = 43350 cal. - -Wir müssen noch, ehe wir die Gleichung - - q - E = ----- + c . T, - 23070 - -anwenden können, den ~Temperaturkoeffizienten~ des Akkumulators kennen. -Dieser ist zuerst von ~Streintz~ experimentell bestimmt worden. Dieser -Forscher fand, daß c von der Säuredichte abhängig ist. Bei einer -Säuredichte von 1,16 erreicht er ein Maximum, dieses beträgt 0,36 -Millivolt pro 1° Temperaturänderung. ~Dolezalek~ bestimmte auf -theoretischem Wege den Temperaturkoeffizienten und gelangte zu dem -Resultate, daß ~derselbe sowohl positiv wie negativ sein kann~. Bei -einer Säuredichte von 1,044 ist er[35] gleich Null, bei höheren -Konzentrationen ist er positiv, bei niedrigeren negativ. Hat die -Akkumulatorsäure die übliche Dichte, nämlich 1,18 bis 1,2 nach -beendigter Ladung, so ist c = 0,0004 Volt (angenähert). - -Da bei 1,044 Säuredichte (68,6 Gramm H₂SO₄ pro Liter) c = 0, so muß bei -dieser Konzentration die Thomsonsche Regel angewendet werden. Wird also -durch unsere Gleichung (3) der chemische Umsatz richtig wiedergegeben, -so muß die elektromotorische Kraft - - 43350 - E = ----- = 1,88 Volt sein. - 23100 - -Mißt man die elektromotorische Kraft bei der angegebenen Säuredichte, so -findet man den Wert 1,89 Volt. - -Bei der gewöhnlichen Säuredichte ist die Wärmetönung etwas kleiner als -43350 cal. Die jetzt anzuwendende Helmholtzsche Relation liefert aber -trotzdem einen höheren Wert für die elektromotorische Kraft als den -eben gefundenen (1,88 Volt), weil das Glied c . T einen Wert von mehr -als 0,1 Volt (bei 17° Celsius) hat. Der berechnete und der gemessene -Wert von E stimmen auch jetzt vorzüglich überein. - -Da eine ganze Reihe von Beweisen für die Richtigkeit unserer Behauptung -beigebracht sind (s. auch S. 45), daß der Akkumulator ein umkehrbares -Element ist, in dem sich die chemischen Veränderungen nach der Gleichung -(3) vollziehen, da ferner das ganze Verhalten des Akkumulators mit der -Reaktionsgleichung im Einklang steht, so dürfte es überflüssig sein, auf -andere Theorien näher einzugehen. - -Von den Gegnern der Sulfattheorie wird folgender Einwand erhoben. Wenn -bei einem umkehrbaren galvanischen Elemente der innere Widerstand sehr -klein ist, so darf die für die Ladung nötige Energie nicht oder doch nur -sehr wenig verschieden sein von der bei der Entladung entnommenen -Arbeit. Beim Bleiakkumulator ist aber das Verhältnis zwischen der -abgegebenen und zugeführten elektrischen Energie nur etwa 0,8. Diese -Tatsache dürfte mit dem Charakter der Irreversibilität unvereinbar sein. - -Ehe wir zeigen, daß gar kein Widerspruch gegen die Sulfattheorie -vorliegt, daß man vielmehr mit Hilfe unserer Gleichung die Differenz -zwischen Lade- und Entladeenergie zwanglos erklären kann, wollen wir uns -beschäftigen mit der ~Änderung der elektromotorischen Kraft mit der -Säurekonzentration~[36]. Diese wurde zuerst von ~Streintz~ -nachgewiesen; nach seinen Untersuchungen ist zu Anfang der Entladung - - E = 1,85 + 0,917 (s - 1), - -wo s das spezifische Gewicht der Säure nach der Ladung ist. Man findet -mit Hilfe dieser Gleichung, daß - - für s = 1,05 E = 1,896 - s = 1,1 E = 1,942 - s = 1,2 E = 2,033 - s = 1,3 E = 2,125 - s = 1,55 E = 2,350 - -Diese Werte stimmen mit den durch direkte Messung gefundenen ziemlich -gut überein. - - Es liegt die Frage nahe, warum man in der Praxis bei einer Säuredichte - von 1,1 bis 1,2 geblieben ist. Hier ist zu beachten, daß die - Löslichkeit des Bleisulfates bei hohen Konzentrationen stark zunimmt; - bei 1,6 Säuredichte ist sie etwa 4 mal so groß wie bei einer - Säuredichte von 1,16. Auch tritt bei höheren Säuredichten leichter - Sulfatierung ein (s. Kap. 5) und der spezifische Widerstand der - verdünnten Schwefelsäure liegt bei der üblichen Säuredichte nahe beim - Minimum, bei 1,6 ist er beinahe 3 mal so groß wie bei 1,2. - -Wenn noch ein Zweifel an der Richtigkeit der Sulfattheorie bestand, so -würde dieser gehoben durch Untersuchungen von ~Dolezalek~ über die -Abhängigkeit der elektromotorischen Kraft von der Säuredichte; es ergab -sich, daß die durch Anwendung der Thermodynamik berechneten Werte -vorzüglich mit den experimentell gefundenen übereinstimmten. Der den -Berechnungen zu Grunde liegende Gedanke ist folgender: - -Zwei Akkumulatoren, die wir mit _A_ und _B_ bezeichnen wollen, seien -gegeneinander geschaltet: _A_ enthalte konzentriertere, _B_ verdünntere -Lösung (s. Fig. 6). Man findet, wenn man noch ein Galvanoskop -einschaltet, daß der Akkumulator _A_ Strom abgibt. _A_ wird also -entladen und _B_ geladen. - -[Illustration: Fig. 6.] - -Bei diesen Vorgängen wird - - in _A_ eine gewisse Menge PbO₂ verbraucht, - in _B_ die gleiche Menge PbO₂ erzeugt, - - in _A_ eine gewisse Menge Pb verbraucht, - in _B_ die gleiche Menge Pb erzeugt, - - in _A_ bildet sich eine gewisse Menge PbSO₄, - in _B_ verschwindet die gleiche Menge PbSO₄. - -Betrachten wir die beiden Akkumulatoren als ein chemisches System, so -folgt, daß sich die dem chemischen Umsatze entsprechenden Wärmetönungen, -soweit die festen Substanzen in Betracht kommen, gegenseitig aufheben. -Ferner ändert sich in beiden Akkumulatoren die Konzentration der Säure, -und zwar wird sie in _A_ geringer und in _B_ größer. Die Änderungen der -Säuredichte kann man sich nun auch in der Weise vollzogen denken, daß -aus _A_ Schwefelsäure nach _B_ und aus _B_ Wasser nach _A_ befördert -wird. Diese Transporte (die Wegnahme bezw. der Zusatz von Flüssigkeiten) -sind mit einem Arbeitsgewinn verbunden. Es ergibt sich dies aus -folgenden Betrachtungen. - -Wenn man in Wasser Schwefelsäure gießt, so wird Wärme frei, und zwar ist -die Wärmeentwickelung bei der Mischung von a Grammolekül[37] -Schwefelsäure und b Grammolekül Wasser nach Thomson - - a . b - w = --------- . 17860 cal. - 1,8 a + b - -Nehmen wir an, daß wir 1 Mol Schwefelsäure nicht auf einmal, sondern in -kleinen Quantitäten nach und nach dem Wasser zusetzen, etwa jedesmal 1 -Gramm; es wird dann keineswegs bei jedem Zusatz die gleiche Wärmemenge -frei, sondern zuerst eine größere als später. Es folgt dies schon aus -dem Umstande, daß keine Wärme entwickelt wird, wenn man zu -konzentrierter Schwefelsäure reine Schwefelsäure gießt. Wird umgekehrt -einer Schwefelsäurelösung Schwefelsäure entzogen, so wird Wärme -gebunden, und zwar ist die (negative) Wärmetönung um so kleiner, je -größer die Konzentration der Säure ist. Nennen wir also die -Wärmeentwickelung, die der Beimischung von a Gramm Schwefelsäure zu der -Säure des Akkumulators _B_ entspricht, q₁, und den Wärmeverbrauch bei -der Wegnahme von a Gramm Schwefelsäure aus _A_ q₂, so ist q₁>q₂. Für die -Wärmeentwickelung und den Wärmeverbrauch, mit der die Beimischung und -Entnahme des Wassers verbunden ist, gilt das Umgekehrte wie eben. Die -Wärmetönung des stromliefernden Prozesses besteht also aus vier Posten, -von denen zwei positiv und zwei negativ sind. - -Wollen wir die Helmholtz’sche Relation (s. S. 19) auf das System, -bestehend aus den beiden gegeneinander geschalteten Akkumulatoren, -anwenden, so haben wir für e die Differenz der beiden elektromotorischen -Kräfte (ΔE) zu setzen; die in der Gleichung mit c bezeichnete Größe ist -nicht etwa der Temperaturkoeffizient eines der beiden Akkumulatoren, -vielmehr hat c in dem vorliegenden Falle folgende Bedeutung. A sowohl -wie B möge um 1° Celsius erwärmt werden, dann nimmt ΔE einen etwas -anderen Wert an, der neue Wert sei ΔE′. Es ist dann - - c = ΔE′ - ΔE. - -Da man die Temperaturkoeffizienten des Akkumulators für die -verschiedenen Säuredichten kennt, so kann man den -Temperaturkoeffizienten des Systems und somit auch ΔE bestimmen. Es sind -also alle Größen zur Berechnung der elektromotorischen Kraft (ΔE) mit -Hilfe der Helmholtz’schen Gleichung bekannt. - -Von der Besprechung des anderen Weges, den Dolezalek angibt, die -Änderung der elektromotorischen Kraft mit der Säuredichte zu berechnen, -soll abgesehen werden. Aus der folgenden Tabelle ist zu ersehen, wie -groß die Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung ist. - - Elektromotorische Kraft - Säuredichte berechnet gemessen - 1,553 2,39 Volt 2,355 Volt - 1,420 2,25 „ 2,253 „ - 1,266 2,10 „ 2,103 „ - 1,154 2,06 „ 2,008 „ - 1,035 1,85 „ 1,887 „ - -Der Berechnung der elektromotorischen Kraft des Akkumulators bei -verschiedenen Konzentrationen der Säure liegt die Annahme zugrunde, daß -der Verbrauch an Schwefelsäure und die Bildung von Wasser in einer -unserer Reaktionsgleichung entsprechenden Weise erfolgt. Die gute -Übereinstimmung zwischen den berechneten und den gemessenen Werten der -elektromotorischen Kraft kann daher als ein weiterer überzeugender -Beweis für die Richtigkeit der Sulfattheorie angesehen werden. - -Wir gehen jetzt auf den früher erwähnten Einwand gegen die Sulfattheorie -näher ein. Nach dieser wird bei der Ladung des Akkumulators an beiden -Elektroden Bleisulfat zersetzt und Schwefelsäure gebildet, und zwar -entsteht die Säure sowohl an der Oberfläche der Platten als auch in den -Poren der ~aktiven Masse~[38]. Die an den Plattenoberflächen entstandene -Säure sinkt, wie man an der sogenannten Schlierenbildung gut erkennen -kann, langsam zu Boden. Da aber während der Ladung fortwährend -Schwefelsäure entsteht, so ist jede Elektrode in eine sehr dünne -Schwefelsäureschicht eingehüllt. Ferner füllt sich kurze Zeit nach -Beginn der Ladung jede Pore der aktiven Masse mit stark konzentrierter -Säure; diese wird in den Poren mechanisch festgehalten (Kapillarität) -und kann nur durch Diffusion in den Elektrolyten außerhalb der Platten -gelangen[39]. Die Diffusion aber ist ein Vorgang, der sich nur langsam -vollzieht. Die aktive Masse ist also in Berührung mit Säure höherer -Konzentration. Da aber die elektromotorische Kraft des Akkumulators mit -der Säuredichte nicht unerheblich ansteigt, so ist die Gegenspannung -während der Ladung anormal hoch (s. auch S. 82). - - Die mittels des Aräometers nachweisbare Zunahme der Konzentration der - Säure (zwischen den Platten, die wir die äußere Säure nennen wollen) - hat zwar auch ein Wachstum der elektromotorischen Kraft zur Folge. - Die dieser Zunahme entsprechende Änderung der elektromotorischen Kraft - beträgt nur einige Hundertstel Volt. - -Während der Entladung wird an beiden Elektroden Säure verbraucht; die -Folge ist, daß die Konzentration der Säure in den Poren der aktiven -Masse und unmittelbar an der Oberfläche stark abnimmt. Die -elektromotorische Kraft hat daher einen kleineren Wert als denjenigen, -welcher der Dichte[40] der äußeren Säure entspricht. - -Der Unterschied zwischen Lade- und Entladespannung ist der Hauptgrund -für den verhältnismäßig geringen Nutzeffekt (s. S. 73). Da dieser nun -mit Hilfe der Sulfattheorie erklärt ist, so liegt natürlich kein -Widerspruch vor. - -Wenn die Ladespannung deshalb größer wäre, weil die Vorgänge bei der -Ladung nicht die umgekehrten sind wie bei der Entladung, so müßte, wenn -man plötzlich von der Entladung zur Ladung übergeht oder umgekehrt, die -Spannung sich sprungweise ändern; der Versuch zeigt aber, daß dieses -nicht der Fall ist. - -Falls die aus der Sulfattheorie hergeleitete Erklärung für den -Unterschied zwischen Lade- und Entladespannung den Tatsachen -entspricht, muß dieser Unterschied, wenn man mit sehr geringer -Stromdichte lädt und entlädt, verschwindend klein werden. Ein einfacher -Versuch zeigt, daß dieser Schluß der Wirklichkeit entspricht. - - Ein Akkumulator von etwa 14 Amperstunden Kapazität (bei 3stündiger - Entladung) wurde mit einem Strome von 0,12 Amper geladen. Ein - Millivoltmeter von Siemens und Halske mit Vorschaltwiderstand zeigte - - vor Beginn der Ladung 2,01 Volt - nach einer Ladezeit von 1 Min. 2,02 „ - „ „ „ „ 15 „ 2,03 „ - „ „ „ „ 35 „ 2,04 „ - „ „ „ „ 45 „ 2,04 „ - - Wurde die Ladestromquelle abgeschaltet und dem Akkumulator sofort ein - Strom von 0,12 Amper entnommen, so sank die Spannung nur um 1-2 - Millivolt. -- Zu beachten ist übrigens bei dem Versuche, daß der durch - das Ampermeter gehende Strom nur zum Teil Ladestrom ist, indem der - durch das Voltmeter fließende Strom mitgemessen wird. Bei meinem - Versuche nahm das Voltmeter 0,11 Amp. auf, so daß die Ladestromquelle - 0,23 Amp. abgeben mußte. - -Die bisherigen Darlegungen berechtigten zu der Aufstellung der These, -daß ~nur diejenigen Theorien, die über den Bleiakkumulator aufgestellt -sind, einer streng wissenschaftlichen Prüfung Stand halten, nach denen -der Akkumulator ein umkehrbares Element im Sinne unserer -Reaktionsgleichung~ (Seite 36) ist. -- Es sei hier darauf aufmerksam -gemacht, daß unsere Gleichung nur besagt, daß das System PbO₂ + Pb + -2H₂SO₄ bei der Entladung übergeht in das System 2PbSO₄ + 2H₂O und daß -bei der Ladung das letztere System in das erstere übergeführt wird. Auf -die Frage, wie diese Umwandlung erfolgt, gibt uns natürlich unsere -Gleichung keine Auskunft; jedoch müssen alle Vorgänge bei der Ladung -stromliefernd (primär) erfolgen, ähnlich wie es bei dem Daniell-Elemente -der Fall ist[41]. - -Der eben genannten Bedingung genügen die Theorie von Le Blanc und -diejenige von C. Liebenow, die wir ausführlich besprechen wollen. - -~Theorie von Le Blanc.~ I. _Entladung_. ~Le Blanc~ nimmt an, daß -Bleisuperoxyd in verdünnter Schwefelsäure in geringem Maße löslich ist. -Die in Lösung gegangenen PbO₂-Moleküle bleiben aber nicht als solche in -der Flüssigkeit, sondern verbinden sich mit Wasser unter Bildung von -vierwertigen Bleiionen und Hydroxylionen: - - PbO₂ + 2H₂O = Pb···· + 4OH′ (1). - - Da es chemische Verbindungen gibt, in denen das Blei vierwertig ist, - so können auch vierwertige Bleiionen existieren; das Salz PbCl₄, - dessen Existenz nachgewiesen ist, wird sich sicher nach der Gleichung - - PbCl₄ = Pb···· + 4Cl′ - - in Wasser dissoziieren. Daß ferner ein chemischer Prozess zu einer - Ionenbildung führt, hat nichts Befremdendes mehr, wenn man die Ionen - als chemische Verbindungen ansieht (s. S. 6). - - Ferner haben ~Rixon~ und ~Elbs~[42] nachgewiesen, daß sich in - gebrauchter Akkumulatorsäure verhältnismäßig erhebliche Mengen von - vierwertigem Blei befinden, nämlich bis 0,17 g Pb(SO₄)₂ im Liter. Auch - wurde festgestellt, daß frisch dargestelltes Bleisuperoxyd in - Schwefelsäure zum Teil in Pb(SO₄)₂ überging: - - PbO₂ + 2H₂SO₄ ⇄ Pb(SO₄)₂ + 2H₂O. - -Die mit positiver Elektrizität beladenen Bleiionen wandern mit dem -Strome und geben, an der positiven Elektrode angelangt, an diese zwei -Ladungen ab: - - Pb···· = Pb·· + 2⊕. - - Von den vier Elektronen sind, so wollen wir zur Erklärung hinzufügen, - zwei nur locker gebunden, so daß sie leichter abgegeben werden als die - beiden anderen; ähnlich wie Superoxyde leicht ein Atom Sauerstoff - verlieren. - -Das doppelt geladene Bleiion verbindet sich mit einem SO₄-Ion zu einem -Molekül Bleisulfat. (Die Konzentration der Bleiionen steigt in den Poren -der aktiven Masse stark an, so daß diese das Bestreben haben, den -Ionenzustand zu verlassen.) Da Bleisulfat nur in geringem Maße in -verdünnter Schwefelsäure löslich ist, so ist der Elektrolyt in den Poren -der aktiven Masse und dicht an der Oberfläche der Bleisuperoxydplatte, -nachdem sich eine kleine Menge dieses Salzes gebildet hat, mit -schwefelsaurem Blei gesättigt; es wird sich also bei Stromentnahme -Bleisulfat auf der positiven Elektrode niederschlagen. - -Die beiden Ladungen, die das vierwertige Bleiion abgegeben hat, fließen -durch die Leitung, gelangen zur negativen Elektrode und gehen mit einem -Bleiatom in die Lösung. - - Pb + 2⊕ = Pb·· (s. elektrolyt. Lösungstension). - -Wie an der positiven Elektrode verbindet sich auch hier das Bleiion mit -einem SO₄-Ion zu einem Molekül Bleisulfat, das sich niederschlägt. - -Zwischen den beiden Elektroden spielen sich folgende Vorgänge ab. Wie -wir gesehen haben, werden zwei SO₄-Ionen verbraucht, so daß vier -Wasserstoffionen im Überschuß vorhanden sind; nun sind aber auch durch -die Bildung des vierwertigen Bleiions 4 Hydroxylionen entstanden (siehe -Gleichung 1 a. S. 51). Vor der Stromentnahme war aber der Elektrolyt an -letzterer Ionenart gesättigt. Die Dissoziation von 4 Molekülen -Wasser[43] muß daher zurückgehen; zwischen den Elektroden geht also die -Reaktion vor sich - - 4H· + 4OH′ = 4H₂O. - -Die verbrauchten Wasserstoff- und SO₄-Ionen werden ersetzt durch -Dissoziation von 2 Molekülen H₂SO₄. - - Wir wollen die Vorgänge übersichtlich zusammenstellen: - - a) An der positiven Elektrode. - - 1. PbO₂-Moleküle gehen in Lösung und verbinden sich nach der - Gleichung: - - 2. PbO₂ + 2H₂O = Pb···· + 4OH′. - - 3. Die Bleiionen, die mit dem Strome wandern, geben an die positive - Elektrode zwei Ladungen (Elektronen) ab: - - Pb···· = Pb·· + 2⊕. - - Die beiden Elektronen gehen durch die Leitung hindurch zur Bleiplatte - (s. Nr. 6). - - 4. Pb·· + SO₄′′ = PbSO₄. - - 5. Bleisulfat schlägt sich nieder. - - b) An der negativen Elektrode. - - 6. Die beiden angekommenen positiven Elektronen treten, an ein - Bleiatom gebunden, durch die elektrolytische Lösungstension getrieben, - in den Elektrolyten ein: - - / ⊕ - Pb + 2⊕ = Pb - \ ⊕. - - 7. Wie bei Nr. 4. - - 8. Wie bei Nr. 5. - - c) Zwischen den Elektroden. - - 9. 4H· + 4OH′ = 4H₂O und - - 10. 2H₂SO₄ = 4H· + 2SO₄′′. - - Addiert man die sämtlichen Gleichungen und kürzt[44], so erhält man - die Gleichung - - PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O. - -II. _Ladung_. Es wird gezeigt, daß sich jetzt die Vorgänge in -umgekehrter Reihenfolge und in umgekehrtem Sinne abspielen. - -Bleisulfat ist in verdünnter Schwefelsäure in geringem Maße löslich. Ein -Teil der Bleisulfatmoleküle spaltet sich elektrolytisch nach der -Gleichung - - PbSO₄ = Pb·· + SO₄′′. - - a) Positive Elektrode. - - 1. Auflösung von Bleisulfat -- Umkehrung von I, 5. - - 2. Dissoziation des Bleisulfats -- Umkehrung von I, 4. - - 3. Das Bleiion nimmt an der positiven Elektrode noch zwei Ladungen auf - - Pb·· + 2⊕ = Pb···· (Umkehrung von I, 3). - - 4. Erreicht die Konzentration der vierwertigen Bleiionen (die nur in - ganz minimaler Menge existieren können) einen gewissen Grad, so - verbinden sie sich mit vorhandenen Hydroxylionen zu Bleisuperoxyd und - Wasser[45]: - - Pb···· + 4OH′ = PbO₂ + 2H₂O (Umkehrung von I, 2). - - 5. Bleisuperoxyd ist nur in sehr geringer Menge in der Säure löslich - (existenzfähig); es schlägt sich somit in den Poren und auf der - Oberfläche[46] der aktiven Masse nieder (Umkehrung von I, 1). - - b) Negative Elektrode. - - 6. PbSO₄ geht in Lösung (Umkehrung von I, 8). - - 7. Dissoziation des Bleisulfates (Umkehrung von I, 7). - - 8. Das Bleiion wird von der negativen Elektrode angezogen, gibt seine - beiden Ladungen ab (geht in den atomistischen Zustand über) und - schlägt sich nieder (Umkehrung von I, 6). - - c) Zwischen den Elektroden. - -Es sind zwei neue SO₄-Ionen in die schon von vornherein mit diesen Ionen -gesättigte Lösung gekommen (nämlich durch Dissoziation der beiden -Bleisulfatmoleküle); anderseits sind, da vier OH-Ionen verbraucht -wurden, vier Wasserstoffionen überschüssig. - -Die beiden Ionenarten verbinden sich miteinander zu Schwefelsäure - - 4H· + 2SO₄′′ = 2H₂SO₄ (Umkehrung von I, 10). - -Die verbrauchten Hydroxyl- und Wasserstoffionen werden nachgeliefert -durch Dissoziation von vier Molekülen Wasser - - 4H₂O = 4H· + 4OH′ (Umkehrung von I, 9). - -Daß auch jetzt Addition aller Gleichungen, Kürzung und Vereinfachung zu -unserer Reaktionsgleichung führt, ist selbstverständlich. - -~Theorie von Liebenow.~ Auch Liebenow nimmt an, daß Bleisulfat in -geringem Maße in der Schwefelsäure löslich sei und sich in Blei- und -Sulfationen spalte. Ein wesentlicher Unterschied mit der eben -entwickelten Theorie besteht nun darin, daß Liebenow die Entstehung von -Bleisuperoxydionen in dem Elektrolyten annimmt. Diese bilden sich -entweder dadurch, daß sich ein Teil[47] der vorhandenen Bleiionen mit -Sauerstoffionen vereinigt nach der Gleichung - - Pb·· + 2O′′ = PbO₂′′ - -oder hydrolytisch (unter Mitwirkung des Wassers): - - Pb·· + 2H₂O = PbO₂′′ + 4H·. - -Letzteres wird im folgenden angenommen. Um diese Theorie glaubhaft zu -machen, mußte die Existenz von PbO₂-Ionen nachgewiesen werden. Diesen -Nachweis zu erbringen, gelang ~Liebenow~ und ~Strasser~ -folgendermaßen[48]. Eine Zelle wurde mit Kalilauge gefüllt, die mit -Bleioxyd gesättigt war. Die in die Zelle tauchenden Elektroden waren mit -einer für die Ionen durchlässigen Hülle umgeben, so daß nach Beendigung -des Versuches die jede Elektrode umgebende Flüssigkeit für sich allein -analysiert werden konnte. War die Flüssigkeit längere Zeit -elektrolysiert worden, so fand man, daß der Bleigehalt des die -~positive~ Elektrode umhüllenden Elektrolyten größer geworden war -(ungleiche Wanderungsgeschwindigkeit der verschiedenen Ionenarten, s. S. -30). - -Daraus folgt, daß sich das Kaliumplumbit Pb(KO)₂ nicht in der Weise -dissoziiert, daß Bleiionen entstehen. Denn hätten sich Bleiionen -gebildet, so wären diese als positive Ionen nach der Kathode -hingewandert, und man hätte dort eine Zunahme des Bleigehaltes -beobachtet haben müssen. Mithin muß das Blei einen Bestandteil von -~negativen~ Ionen bilden, es muß mit negativen Ionen an die Kathode -gelangt sein. Man muß also annehmen, daß das Kaliumplumbit sich -elektrolytisch nach der Gleichung - - Pb(KO)₂ = PbO₂′′ + 2K· - -spaltet, d. h. daß Bleisuperoxydionen existieren. - -Wegen der „Überspannung‟ (s. S. 13) werden nun bei Stromzufuhr die Ionen -des Bleies und des Bleisuperoxyds leichter, d. h. bei geringerer -Klemmenspannung, herauselektrolysiert als die übrigen Ionen, die sich in -der verdünnten Schwefelsäure befinden[49]. Obschon die Konzentration -der Pb·· und der PbO₂′′ eine nur ganz geringe ist, so kann ihre -Abscheidung, falls nicht die Stromdichte gar zu sehr gesteigert wird, in -einer dem Faradayschen Gesetze entsprechenden Weise erfolgen. Denn -sobald ein Bleiion und (gleichzeitig) ein Bleisuperoxydion abgeschieden -ist, erfolgt neue Dissoziation von zwei Molekülen Bleisulfat, von denen -das eine mit Wasser ein neues Bleisuperoxydion bildet. Das infolge der -Elektrolyse verbrauchte Bleisulfat wird dem Elektrolyten zugeführt von -dem Vorrate, der an den Elektroden angehäuft ist (bei der -vorhergegangenen Entladung entstanden). - -Da sich während der Elektrolyse (Ladung) die negative Elektrode mit -einer an Dicke allmählich zunehmenden Schicht metallischen Bleies und -die positive Platte mit Bleisuperoxyd bedeckt, so wird nach einer -gewissen Zeit des Stromdurchganges dem Bleisulfat der Eintritt in die -Lösung immer mehr erschwert. Je ärmer der Elektrolyt an Bleisulfat bezw. -an Blei- und Bleisuperoxydionen wird, um so mehr muß die -Zersetzungsspannung gesteigert werden (s. Ladung, Kap. 4). - -Durch Dissoziation der beiden Bleisulfatmoleküle werden 2 neue SO₄-Ionen -gebildet; diese verbinden sich mit den vier Wasserstoffionen, die durch -die Reaktion zwischen dem Bleiion und dem Wasser entstanden sind, zu 2 -Molekülen Schwefelsäure. - -Wir wollen auch jetzt die Vorgänge bei der ~Ladung~ kurz -zusammenstellen. - -Bleisulfat löst sich; 2 Moleküle spalten sich: - - 2PbSO₄ = 2Pb·· + 2SO₄′′. - -Ein Bleiion reagiert mit Wasser: - - Pb·· + 2H₂O = PbO₂′′ + 4H·. - -Das Bleiion gibt an der negativen Elektrode seine beiden Ladungen ab und -schlägt sich nieder: - - Pb·· + 2⊖ = Pb[50]. - -Das Bleisuperoxydion gibt an der positiven Elektrode seine beiden -Ladungen ab und schlägt sich nieder: - - PbO₂′′ + 2⊕ = PbO₂. - -Endlich: - - 4H· + 2SO₄′′ = 2H₂SO₄. - -Man überzeugt sich leicht, daß man durch Addition der fünf -vorhergehenden Gleichungen die Reaktionsgleichung des Akkumulators -erhält. - -Es soll noch kurz gezeigt werden, daß sich bei der ~Entladung~ alle eben -geschilderten Vorgänge in umgekehrtem Sinne abspielen. - -Das Blei sendet positive Ionen in die Lösung und wird negativ geladen; -an der positiven Elektrode treten Bleisuperoxydionen in den Elektrolyten -ein. Da nur ganz minimale Mengen von Blei- und Bleisuperoxydionen in dem -Elektrolyten existieren können, so treten die Bleiionen mit SO₄-Ionen zu -Bleisulfat zusammen, und jedes Bleisuperoxydion vereinigt sich mit vier -Wasserstoffionen zu einem Bleiion und zwei Molekülen Wasser: - - PbO₂′′ + 4H· = Pb·· + 2H₂O. - -Jetzt ist ein SO₄-Ion im Überschuß[51] vorhanden; dieses verbindet sich -mit dem neuen Bleiion zu Bleisulfat. Die vier verbrauchten -Wasserstoffionen und die beiden dem Elektrolyten entzogenen SO₄-Ionen -werden neu gebildet durch Dissoziation von zwei Molekülen Schwefelsäure - - 2H₂SO₄ = 4H· + 2SO₄′′. - -Auf das Anwachsen der Klemmenspannung während der Ladung und die -allmähliche Abnahme derselben bei der Entladung soll im vierten Kapitel -näher eingegangen werden. - - [25] Die Untersuchungen sind zusammengestellt in seinem Werke: - Recherches sur l’Électricité. - - [26] ~Dolezalek~, Die Theorie des Bleiakkumulators. - - [27] Siehe die Schrift: Das Akkumulatorenproblem. Sammlung - elektrotechnischer Vorträge. S. 3. - - [28] Siehe ~Streintz~, l. c. S. 4. - - [29] Näheres siehe ~P. Schoop~, Die Sekundär-Elemente. 1. Teil. - - [30] Diese greift übrigens Blei leicht an und würde die baldige - Zerstörung der Platten herbeiführen. - - [31] Zeitschr. f. Elektrochemie, 1899, S. 309. - - [32] Die Bildung von Schwefelsäure bei der Ladung kann man bei Zellen - mit Glaswänden direkt beobachten (Schlieren); bei der Entladung - steigen Schlieren aufwärts. - - [33] ~E. Sieg~, Die Akkumulatoren. Leipzig 1901. S. 9. - - [34] Folgendes einfaches Beispiel diene zur Erläuterung: Die - unbekannte Wärmetönung des Prozesses C + O = CO soll bestimmt werden: - - C + 2O = CO₂, Wärmetönung pos., sie betrage q₁ cal. - CO₂ = CO + O, „ neg., „ „ -q₂ „ - --------------------------- ------- - Addiert: C + 2O + CO₂ = CO₂ + CO + O, Wärmetönung q₁ - q₂ - oder C + O = CO „ q₁ - q₂ - - Man denkt sich also auf einem Umwege die Bildung von Kohlenoxyd aus - Kohlenstoff und Sauerstoff vollzogen: Aus Kohlenstoff und Sauerstoff - sei Kohlendioxyd entstanden, dieses sei durch Anwendung hoher - Temperatur in Kohlenoxyd und Sauerstoff zerlegt. Die dem letzteren - Prozesse entsprechende Wärmetönung ist negativ, weil bei der - umgekehrten Reaktion - - CO + O = CO₂ - - Wärme gewonnen wird. - - [35] Die Änderung der elektromotorischen Kraft mit der Temperatur kann - man durch Gegeneinanderschalten zweier Akkumulatoren (+ mit +, - mit - - verbunden) demonstrieren, von denen der eine in ein Wasserbad gestellt - wird. - - [36] Wenn der Elektrolyt an der Stromlieferung (dem chemischen - Umsatze) beteiligt ist, so ist eine Änderung der elektromotorischen - Kraft mit der Säuredichte zu erwarten. Diejenigen, welche behaupten, - daß „die Schwefelsäure nur als elektrolytischer Leiter diene‟ und daß - „die Sulfatbildung ein rein sekundärer Prozeß sei‟, müssen folgern, - daß die elektromotorische Kraft unabhängig ist von der Säuredichte. -- - Diesbezügliche Messungen sind an vollgeladenen Zellen vorzunehmen, - denen man eine geringe Menge Elektrizität entnommen hat. - - [37] Unter einem Grammolekül (abgekürzt „Mol‟) einer Substanz versteht - man soviele Gramme der betr. Substanz wie das Molekulargewicht - anzeigt. Das Molekulargewicht der Schwefelsäure ist 98, mithin ist ein - Mol H₂SO₄ gleich 98 g H₂SO₄. - - [38] Die Masse, die sich in den Schichten befindet, in denen sich der - chemische Umsatz abspielt, nennt man aktive Masse. - - [39] Die Diffusionsvorgänge sind von M. U. ~Schoop~ näher untersucht - worden. Siehe Sammlung elektrotechnischer Vorträge, Bd. V. Stuttgart - 1903. F. Enke. - - [40] Die Konzentrationsänderungen an beiden Elektroden sind nicht die - gleichen. Zunächst nämlich bewirkt die ungleiche - Wanderungsgeschwindigkeit der beiden Ionenarten eine - Konzentrationsverschiebung, sie strebt die Konzentration an der - positiven Elektrode zu erhöhen und an der negativen zu vermindern. - Ferner wird durch die Wasserbildung an der positiven Elektrode dort - die Konzentration verringert. Drittens spielt die Porosität der - aktiven Masse eine Rolle. Je größer nämlich die Porosität ist, - umsomehr Säure steht für den chemischen Umsatz im Innern der Platten - zur Verfügung, umso weniger sinkt die Konzentration. ~Mugdan~ wies - nach, daß die Konzentrationspolarisation an der positiven Elektrode - die größere ist. - - [41] Selbst durch einfache Umsatzgleichungen werden kompliziertere - Verhältnisse wiedergegeben. Die Gleichungen sind einfach, weil sie nur - den Anfangs- und den Endzustand sowie die Gewichtsverhältnisse - angeben. Wenn man auf die Frage, wie sich der Umsatz vollzieht, näher - eingeht, so findet man, daß sich auch bei den einfachsten Reaktionen - verschiedene Vorgänge abspielen müssen. - - [42] Zeitschr. für Elektrochemie, 1903, =9=, 267. - - [43] 4H₂O = 4H· + 4OH′. - - [44] Dies ist gestattet, da die zusammenfassende Endgleichung nur - angeben soll, welche Substanzen vor und welche nach der Entladung - vorhanden sind. - - [45] Nennt man die Konzentration der vierwertigen Bleiionen in der mit - PbO₂ gesättigten Lösung (in den Poren) c₁, diejenige der OH-Ionen c₂, - so erfolgt das Zusammentreten dieser beiden Ionenarten, sobald c₁ . c₂ - einen gewissen Wert erreicht hat. - - [46] Dort spielen sich nämlich die zur Entstehung des Bleisuperoxydes - führenden Vorgänge ab. - - [47] Der Einfachheit halber wollen wir im folgenden annehmen, daß von - zwei durch Dissoziation des Bleisulfates entstandenen Bleiionen eines - in ein Bleisuperoxydion übergeht. - - [48] Zeitschr. f. Elektrochemie, 1896, S. 420 und 653. - - [49] Die Ionen haben das Bestreben, ihre Ladungen zu behalten, das - häufig als ~Haftintensität~ bezeichnet wird und mit der chemischen - Affinität verglichen werden kann. Diese ist für die verschiedenen - Ionenarten verschieden groß. Diejenigen Ionen, deren Haftintensität am - geringsten ist, werden am leichtesten, d. h. bei der geringsten - Spannung abgeschieden. Damit ist die Möglichkeit gegeben, aus einer - Mischung verschiedener Elektrolyte, z. B. zweier Salze, die positiven - Ionen nacheinander herauszuelektrolysieren. - - [50] Die beiden negativen Ladungen liefert die Stromquelle, ebenso die - für die Entionisierung des Bleisuperoxydiones nötige positive - Elektrizität. - - [51] Den vier H· der vorigen Gleichung entsprechen zwei SO₄′′. - - - - -3. Kapitel. - -Kapazität, Wirkungsgrad, Nutzeffekt, innerer Widerstand. - - -1. ~Kapazität.~ Unter der Kapazität eines Akkumulators versteht man -diejenige Elektrizitätsmenge, ausgedrückt in Amperstunden, die der -Akkumulator, wenn er nach Vorschrift behandelt wird, abgeben kann. Vor -allem muß der Akkumulator, wenn man seine Kapazität bestimmen will, -vorschriftsmäßig geladen werden (s. Kap. 4); ferner ist zu -berücksichtigen, daß bei der Entladung eine gewisse Stromstärke nicht -überschritten werden darf; die Entladung hat man als beendigt anzusehen, -wenn die anfängliche Spannung um etwa 10% gesunken ist. - - Meistens haben die beiden Elektroden eine ungleiche Kapazität; - natürlich ist dann praktisch die Kapazität des Elementes durch - diejenige der Elektrode mit geringerer Kapazität gegeben. - -Bei der gewöhnlichen Säuredichte ist die elektromotorische Kraft des -vollgeladenen Akkumulators 2,03 Volt, sodaß man mit der Entladung -solange fortfahren kann, bis die Klemmenspannung etwa 1,8 Volt beträgt -(nicht die elektromotorische Kraft, s. S. 105). Wird ein Akkumulator mit -der konstanten Stromstärke J entladen, und dauert die Entladung in dem -angegebenen Sinne t Stunden, so beträgt die Kapazität (bei t-stündiger -Entladung) J × t Amperstunden. - -Da die Elektrizität, die ein Akkumulator abgibt, aus chemischer Energie -entsteht, so hängt die Kapazität von der Menge des Bleischwammes und der -Menge des Bleisuperoxydes ab, die sich in Bleisulfat umwandeln können. -Der Umsatz kann natürlich nur dort erfolgen, wo die wirksame Masse mit -Schwefelsäure in Berührung steht und wo sie Kontakt mit der Unterlage -hat. Die Tiefe, bis zu der die Stromlinien (besser gesagt: Der -Elektrolyt) in die Platten eindringen, beträgt nur Bruchteile eines -Millimeters; sie ist etwas größer, wenn sich in der aktiven Masse poröse -Substanzen befinden. Man ist daher, wenn man die Kapazität eines -Akkumulators und damit seine Leistung steigern will, darauf angewiesen, -die Oberfläche der Platten zu vergrößern. Es sei hier die Bemerkung -eingeschoben, daß man in der Technik zwischen der ~projizierten~ -Oberfläche, wie sie sich durch Multiplikation von Länge und Breite -ergibt, und der ~wirksamen~, d. h. der von dem Elektrolyten benetzten -Oberfläche unterscheidet; letztere nennt man auch die ~abgewickelte~ -Oberfläche. Diese beiden sind umsomehr von einander verschieden, je -poröser die aktive Masse ist, und je mehr Rippen, Zähne oder dergleichen -sich auf der Platte befinden. Ist die gesamte projizierte Oberfläche der -positiven Elektrode a dm² und die Stromstärke J Amp., so ist J/a die -~Stromdichte~, bezogen auf 1 dm². - -Würde man bei Elementen für größere Leistungen nur ~eine~ positive und -eine negative Platte benutzen, so würde die Zelle unförmlich große -Dimensionen haben. Man vereinigt daher in einem Elemente fast immer -mehrere kleinere positive und negative Platten; die gleichnamigen -Platten werden durch Bleileisten miteinander verbunden (s. Kap. 7). Die -Verwendung mehrerer positiver und negativer Platten gewährt noch einen -anderen Vorteil; enthält nämlich eine Zelle nur zwei Platten (~eine~ -positive und ~eine~ negative), so sind fast nur die beiden sich -gegenüberliegenden Oberflächen an der Stromlieferung beteiligt[52], es -werden also bei jeder Platte nur etwa 50% der Gesamtoberfläche -ausgenutzt. Besteht der Akkumulator aber aus einer positiven und zwei -negativen Platten, so sind von 6 Flächen nur 2 an dem chemischen Umsatze -im beschränktem Maße beteiligt, d. h. nur etwa 33⅓% usw. - -Die Anzahl der negativen Platten ist immer um 1 größer als die der -positiven, wenn die Zelle mehr als zwei Platten enthält; die erste, -dritte usw. letzte Platte ist negativ. Ist also die Kapazität pro -Quadratdezimeter projizierter Oberfläche bei der negativen Platte die -gleiche wie bei der positiven, so ist die Gesamtkapazität der negativen -etwas größer als diejenige der positiven. Im Laufe der Zeit vergrößert -sich, wie später gezeigt wird, die Kapazität der Positiven im Vergleich -zu derjenigen der Negativen. Durch die angedeutete Anordnung wird also -verhindert, daß die gesamte Kapazität der Positiven von derjenigen der -Negativen später stark verschieden ist. Positive Platten werden auch aus -dem Grunde nicht als Endplatten benutzt, weil sie, einseitig -beansprucht, sich krümmen. - -Die ~Kapazität~ eines gegebenen Akkumulators ~hängt~ in hohem Maße von -der ~Entladestromstärke~ ab. Bei der Entladung nämlich wird Säure für -die Sulfatbildung verbraucht, so daß stets neue Säure in die Poren der -aktiven Masse eindringen muß. Wird nun mit großer Stromdichte entladen, -so kann die für den chemischen Umsatz nötige Säure nicht schnell genug -in das Innere der Platten eindringen (hineindiffundieren), so daß die -elektromotorische Kraft, die ja von der Säuredichte abhängig ist, stark -abnimmt, obschon noch größere Mengen von Blei und Bleisuperoxyd -vorhanden sind; wenn ferner keine Schwefelsäure mehr in Berührung mit -der aktiven Masse ist, so hört der chemische Umsatz, d. h. der -stromliefernde Prozeß, auf. - - Meines Erachtens spielen hier auch die Volumänderungen, mit denen der - chemische Umsatz verbunden ist, eine Rolle. Das aus 1 Gramm Blei oder - Bleisuperoxyd entstandene Bleisulfat nimmt einen größeren Raum ein als - das Blei oder Bleisuperoxyd. Während der Entladung werden sich daher - die vorhandenen Poren verengen und mit Bleisulfat ganz ausfüllen. Wird - mit schwachem Strom entladen, so verengt sich die Pore in den - verschiedenen Querschnitten nahezu gleichmäßig; bei großer Stromdichte - aber wird sie hauptsächlich an der dem Elektrolyten zugewendeten Seite - enger oder verstopft sich; die Säurediffusion wird sehr erschwert und - hört bald auf. Bei der Ladung verringert sich das Volumen der aktiven - Masse, und die Poren erweitern sich. Nach dieser Erklärung müßte die - Aufnahmefähigkeit[53] bei der Ladung (Ladungskapazität) weniger von - der Stromdichte abhängig sein als die Kapazität bei der Entladung. Die - Erfahrung zeigt, daß dies in der Tat der Fall ist. - -Ferner muß man schließen, daß die ~Kapazität der Negativen in höherem -Maße von der Entladezeit~ oder von der Stromdichte bei der Entladung -~abhängig ist~ als die Kapazität der Positiven. - - Denn der Unterschied im Volumen einer bestimmten Menge (z. B. 3,85 - Gramm) Blei und des daraus gebildeten Bleisulfates ist größer als die - Differenz des Volumens der äquivalenten Menge Bleisuperoxyd (z. B. - 4,46 Gramm) und des aus diesem entstandenen Bleisulfats. - - Durch eingehende Untersuchung gelangt auch ~E. Sieg~ zu diesem - Resultate (l. c. S. 83), er findet nämlich, „daß die - Bleischwammplatten (und zwar Großoberflächen- und gepastete Platten) - bei genau gleicher „absoluter‟ Kapazität, d. h. derjenigen Kapazität, - die von den Platten geleistet werden kann, wenn die Entladestromstärke - sehr klein gewählt wird, gegen Erhöhung der Beanspruchung - empfindlicher sind als Superoxydplatten‟. Daraus würde sich dann der - Schluß ergeben, daß bei Akkumulatoren, die mit großer Stromdichte - entladen werden sollen, die absolute Kapazität der negativen Platten - größer zu wählen ist als diejenige der positiven. - - ~Dolezalek~ folgert aus dem Umstande, daß die Konzentrationsänderungen - an der Superoxydelektrode erheblich größer sind als an der - Bleischwammelektrode (weil an ersterer auch Wasser gebildet wird), daß - die Kapazität der Superoxydelektrode geringer sein muß als die einer - aus gleicher Paste formierten Bleischwammplatte (l. c. S. 86). Wenn - demnach die Konzentrationsänderungen allein maßgebend wären, so müßte - die positive Platte die empfindlichere sein. - -Man kann weiter schließen, daß die Kapazität von der Porosität der -aktiven Masse abhängig sein wird, besonders bei Entladungen mit großer -Stromdichte. Auch die Dicke der Schicht, in der sich der chemische -Umsatz vollzieht, spielt eine Rolle. - -Da ferner bei der Ladung die Substanzen gebildet werden, die sich bei -der Entladung in Bleisulfat umwandeln, so ist es selbstverständlich, daß -die Art der vorhergegangenen Ladung auf die Kapazität einen Einfluß -ausübt. Je geringer die Stromdichte bei dieser Ladung war, um so mehr -Bleischwamm ist auf der negativen Platte vorhanden und um so mehr PbO₂ -auf der positiven. - -Bei stationären Akkumulatoren (Beleuchtungsanlagen) geht man in der -Regel nicht unter dreistündige Entladezeit herab. Nennt man die -Kapazität bei dreistündiger Entladung c₃ und die bei zehnstündiger c₁₀, -so gilt meistens mit großer Annäherung die Beziehung c₃ : c₁₀ = 26 : 35 -oder ungefähr = 3 : 4. - - ~Schröder~[54] gelangte auf Grund von Untersuchungen an Akkumulatoren - der Akkum.-Fabrik Akt.-Ges. Hagen i. W. zu der Formel - - K · ∛J² = m, - - wo K die Kapazität in Amperstunden, J die Entladestromstärke und m - eine für den betreffenden Akkumulator charakteristische Konstante ist. - Für die meistens in der Praxis vorkommenden Intervalle von J liefert - die Formel hinreichend genaue Werte. -- C. ~Liebenow~ fand, daß für - schwache Entladungen - - m - K = --------- - 1 + c . J - -(m und c sind Konstante). - -Nach ~Peukert~[55] ist - - Jⁿ . t = const., - - wo J die Entladestromstärke, t die Entladedauer, n einen durch das - Experiment zu bestimmenden Faktor bedeutet; n lag bei den untersuchten - Typen zwischen 1,35 und 1,72. - -Die gesamte Elektrizitätsmenge, die man einem Akkumulator entnehmen -kann, ist, um es noch einmal zu wiederholen, durch das Gewicht des -vorhandenen bezw. zugänglichen Bleischwammes und Bleisuperoxydes -gegeben. Soll beispielsweise ein Akkumulator bei 10stündiger Entladung -100 Amperstunden abgeben, so müssen auf der negativen Elektrode -~mindestens~ 385 Gramm Bleischwamm und auf der positiven mindestens 446 -Gramm Bleisuperoxyd angehäuft sein (siehe S. 37). In Wirklichkeit müssen -aber größere Mengen der wirksamen Massen vorhanden sein, da auch bei -10stündiger Entladung nicht alles Pb und nicht alles PbO₂ umgewandelt -wird. - - Eine vollständige Ausnutzung des vorhandenen aktiven Materials ist - sogar theoretisch nicht möglich, weil PbSO₄ ein sehr schlechter Leiter - ist. Nach Roloff werden bei 3stündiger Entladung bei den Positiven - 45%, bei den Negativen 25% der anfänglich vorhandenen aktiven Masse - ausgenutzt. - -Natürlich mußten dem Akkumulator, wenn er 100 Amperstunden abgeben soll, -bei der vorhergegangenen Ladung mindestens 100 Amperstunden zugeführt -worden sein. Es ist allerdings denkbar, daß ein Akkumulator ~ein Mal~ -mehr Elektrizität abgibt, als man bei der Ladung in ihn hineingeschickt -hat, indem nämlich Blei und Bleisuperoxyd, das bei der vorletzten -Entladung nicht in Bleisulfat verwandelt wurde, jetzt verbraucht wird. - -Da die Abhängigkeit der Kapazität von der Entladezeit im engsten -Zusammenhange mit den Diffusionsvorgängen steht, so kann man -voraussagen, daß die Änderungen für die verschiedenen Systeme nicht die -gleichen sind; bei Großoberflächenplatten (s. Kap. 6) wird diese -Abhängigkeit nicht so groß sein, wie bei pastierten Platten. - -Außer von der Entladestromstärke hängt die Kapazität von der Dicke der -aktiven Schicht, der Säuredichte und von der Temperatur ab. Ist das -Bleisuperoxyd und ebenso der Bleischwamm als sehr dünner Überzug auf -einer großen Oberfläche verteilt, so kann die für die Bleisulfatbildung -nötige Säure leichter in das Innere eindringen, als wenn die wirksame -Masse eine dickere Schicht mit kleinerer Oberfläche bildet. - - Der Forderung möglichst dünne Platten zu Verwenden, stehen folgende - Bedenken im Wege: Die Lebensdauer der Platten verringert sich, die - Platten müssen eine gewisse mechanische Festigkeit haben, bei sehr - dünnen Platten ist nicht genügend Raum für die Aufnahme der Paste - vorhanden, der Widerstand der Platten wird größer. - -~Die Abhängigkeit der Kapazität von der Säuredichte~ hat zuerst -~Heim~[56] näher untersucht. Er fand, daß die Kapazität, wenn man die -Säuredichte vergrößert, zuerst steigt und dann wieder abnimmt; das -Maximum lag bei einem spezifischen Gewichte von 1,1. Nach ~Earle~ ist -die Kapazität am größten, wenn die Säuredichte etwa gleich 1,25 ist. Da -bei dieser Dichte verdünnte Schwefelsäure (genauer bei 1,22) das Maximum -der Leitfähigkeit besitzt, so darf man die Kapazität als eine Funktion -des Leitungsvermögens des Elektrolyten ansehen, ein Schluß, der mit -unseren früheren Überlegungen in Einklang steht. Die Stromlinien dringen -eben um so tiefer in das Innere der aktiven Masse ein, die Umwandlung in -Bleisulfat ist um so vollständiger, je besser die Säure leitet. - -~Der Einfluß der Temperatur auf die Kapazität~ ist ein nicht -unerheblicher. Durch Messungen von ~Heim~[57] ergab sich, daß die -Kapazität pro 1° Temperaturerhöhung innerhalb der Grenzen 14° und 45° um -2,6% des der Temperatur 19° entsprechenden Betrages stieg. Die Zunahme -der Kapazität mit der Temperatur kann durch den rascheren Ausgleich der -Konzentrationsänderungen (infolge größerer Beweglichkeit der Säure), -sowie durch die Zunahme des Leitungsvermögens des Elektrolyten[58] -erklärt werden. In der Praxis kann man von der Kapazitätssteigerung -durch Erwärmung der Säure schon aus dem Grunde keinen Gebrauch machen, -weil sie eine vorzeitige Abnutzung der Platten zur Folge hat. - -Zu bemerken ist noch, daß bei einem Akkumulator, der mit Ruhepausen -entladen wird, die Kapazität eine andere ist, als bei einem Elemente, -das mit gleicher Stromstärke ohne Unterbrechung beansprucht wird; sind -die Ruhepausen nicht so groß, daß die Selbstentladung während derselben -merkliche Verluste verursacht (siehe S. 106), so ist die Kapazität im -ersteren Falle die größere. - - ~B. Albrecht~ fand, daß bei Akkumulatoren mit positiven - Großoberflächenplatten (s. Kap. 6) eine merkliche Zunahme der - Kapazität infolge der Ruhepausen nicht stattfand. Wahrscheinlich ist - dieser Umstand der Selbstentladung während der Ruhepausen - zuzuschreiben. Bei den Masseplatten wurde eine ganz bedeutende Zunahme - der Kapazität infolge der Unterbrechungen beobachtet, und zwar ist die - prozentuale Zunahme um so bedeutender, je größer die - Entladestromstärke ist. Die Untersuchungen wurden allerdings nur mit - Platten ~einer~ Firma ausgeführt. (Näheres s. E. T. Z. 1907, S. 539.) - -Die Kapazität eines Akkumulators ändert sich im Laufe der Zeit. In der -Regel nimmt sie zuerst zu, erreicht ein Maximum und sinkt dann. Hierbei -ist zu beachten, daß verschiedene Fabriken die Platten in nicht fertig -formiertem Zustande liefern, so daß in der ersten Zeit die Formation -fortschreitet und die Aufnahmefähigkeit steigt. Auch bei Platten, die -soweit als möglich in der Fabrik formiert wurden, kann die Kapazität -wachsen; es gilt dies besonders von positiven Großoberflächenplatten (s. -Planté-Formation). Andererseits kann die Kapazität im Gebrauche geringer -werden, weil aktive Masse aus dem Gitter herausfällt oder abbröckelt. - - Wenn man zwischen Kohlenelektroden verdünnte Schwefelsäure - elektrolysiert, so findet man nach einiger Zeit auf dem Boden - zahlreiche kleine Kohlenpartikelchen. Diese werden von den Gasblasen - gleichsam abgerieben oder losgesprengt. - -Über die Kapazitätsabnahme infolge der Verbleiung siehe Kap. 7. Auch die -Sulfatation hat einen Rückgang der Kapazität zur Folge (s. Kap. 5). - -Die Beschaffenheit der Elektroden übt, wie P. Schoop[59] sagt, einen -schwer kontrollierbaren Einfluß auf die Kapazität aus. Ist eine -Batterie längere Zeit nicht benutzt worden, so ist die Kapazität -geringer. Durch mehrmaliges Laden und Entladen muß man dann die Platten -auffrischen. - -Eine ~Kapazitätsprobe~ wird bei der Abnahme einer gelieferten Batterie -ausgeführt; auch empfiehlt es sich, eine solche vorzunehmen, wenn man -über den Zustand der Batterie im Zweifel ist, besonders wenn sie längere -Zeit nicht benutzt worden ist. Die Prüfung geschieht folgendermaßen: Die -Batterie wird mit normaler Stromstärke (etwa der der fünfstündigen -Ladung entsprechenden) geladen; kurze Zeit nach der Ladung soll die -Entladung beginnen. Man reguliert die Stromstärke so, daß sie den für -die betreffende Entladezeit (z. B. fünf Stunden) vorgeschriebenen Wert -hat und hält sie tunlichst konstant. Kann man den Strom nicht ausnutzen -(z. B. für den Betrieb von Motoren, oder für elektrolytische Zwecke), so -schaltet man die Batterie auf einen regulierbaren Metall- oder -Wasserwiderstand (der Gebrauch des letzteren ist ziemlich unbequem wegen -der Schaumbildung, des Siedens der Flüssigkeit usw.). Am einfachsten -bestimmt man die abgegebene Elektrizitätsmenge mittels eines Coulomb- -oder Amperstundenzählers; benutzt man hierfür ein Amperemeter, so muß -man in Zeitabschnitten von 10-15 Minuten die Stromstärke ablesen. Durch -ein mit den Klemmen der Batterie verbundenes Voltmeter wird die Spannung -gemessen. Der Versuch ist natürlich abzubrechen, wenn die untere -Spannungsgrenze erreicht ist, d. h. wenn die Klemmenspannung um etwa 10% -der anfänglichen gesunken ist. -- Aus früheren Betrachtungen ergibt sich -übrigens, daß man durch eine einmalige Entladung ein zuverlässiges -Resultat nicht erhalten kann. - -Hat man gefunden, daß die Kapazität eines Akkumulators zurückgegangen -ist, so ist es von Wichtigkeit zu wissen, ob die Ursache an der -positiven oder an der negativen Elektrode liegt. Um dies zu prüfen, -bedient man sich der ~Fuchsschen Methode~; das Verdienst, diese in die -Akkumulatorentechnik eingeführt zu haben, gebührt ~C. Liebenow~[60]. Man -bedient sich bei dieser Methode einer sogen. ~Hilfselektrode~, am -einfachsten eines amalgamierten Zinkstäbchens oder am besten eines -Kadmiumblechs; die Meßelektrode[61] taucht man so in die Säure ein, daß -sie von möglichst wenig Stromfäden getroffen wird. Sie bildet in -verdünnter Schwefelsäure sowohl mit Bleisuperoxyd als auch mit dem -Bleischwamm ein galvanisches Element. Die elektromotorischen Kräfte e₁ -und e₂ betragen bei der gewöhnlichen Säuredichte bei Beginn der -Entladung - - für Zink und Bleisuperoxyd 2,41 Volt, - „ „ „ Bleischwamm 0,40 „ , - „ Kadmium „ Bleisuperoxyd 2,17 „ , - „ „ „ Blei 0,16 „ . - -e₁ - e₂ ist, wenn die Zelle keinen Strom abgibt, mit großer Annäherung -die elektromotorische Kraft des Akkumulators. Entnimmt man der Zelle -Strom, so ändern sich e₁ und e₂ etwas, und es ist jetzt ihre Differenz -gleich der Klemmenspannung, wenn der innere Widerstand des Elementes so -klein ist, daß man das Produkt i · w vernachlässigen kann. - -Man macht während der Entladung eine größere Reihe von Messungen und -trägt die Werte von e₁ und e₂ sowie diejenigen für die Klemmenspannung -auf Millimeterpapier nach der Zeit auf, d. h. man macht die Zeit zu -Abszissen und die Spannungen zu Ordinaten. Man erhält so drei Kurven, -die den Verlauf der Klemmenspannung und der elektromotorischen Kräfte -der beiden Kombinationen - - Hilfselektrode | verdünnte Schwefelsäure | Bleisuperoxyd - „ | „ „ | Bleischwamm - -anzeigen. Die elektromotorischen Kräfte e₁ und e₂ müssen sich bei -fortschreitender Entladung einander allmählich nähern, da die positive -und die negative Platte einander ähnlich werden. Bei gleicher Kapazität -der beiden Platten müssen offenbar die Kurven zur selben Zeit, nämlich -wenn die Klemmenspannung anfängt abzufallen, stark umbiegen, die eine -nach unten, die andere nach oben. - -Nach ~Sieg~ sind die positiven Platten entladen, sobald sie gegen -Kadmium unter 2 Volt anzeigen, die negativen, sobald sie gegen Kadmium -über 0,2 Volt haben. - -~Liebenow~ gelangt auf Grund seiner Beobachtungen zu der Regel, daß die -Fuchssche Methode dann eindeutige Resultate gibt, wenn sie klar eine -wesentliche Verschiedenheit der Kapazität beider Plattensorten anzeigt. -Wenden sich dagegen die beiden Kurven (e₁ und e₂) beim Herabgehen der -Klemmenspannung gleichzeitig, so können positive und negative Platten -die gleiche Kapazität haben, es kann aber auch die der einen kleiner -sein als die der anderen. - -~Wirkungsgrad~[62]. Nennt man die einem Elemente während der Ladung -zugeführte Elektrizitätsmenge, ausgedrückt in Amperstunden (oder in -Coulomb), Q₁ und die während der Entladung von der Zelle abgegebene -Elektrizitätsmenge Q₂, so ist - - Q₂ - -- der Wirkungsgrad. - Q₁ - -Multipliziert man den erhaltenen Bruch mit 100, so erhält man den -Wirkungsgrad in Prozenten der hineingeladenen Elektrizitätsmenge. - -Da Q₁ und Q₂ von der Stromdichte, also auch von der Dauer der Ladung und -Entladung, abhängig sind, so empfiehlt es sich, mit derselben -Stromdichte zu entladen, mit der geladen wurde (s. Kapazität). - -Der Wirkungsgrad beträgt aus verschiedenen Gründen weniger als 100% (in -der Praxis nimmt man 85-90% an). Stromverluste, die man bei -Laboratoriumsversuchen auf 3-4% herunterdrücken kann, werden zum Teil -durch eine schwache während der ganzen Ladung erfolgende Gasbildung -verursacht. Je größer die Stromdichte bei der Ladung ist, um so größer -ist die durchschnittliche Klemmenspannung, um so größer wird also auch -der Bruchteil des Stromes, der für die Gasbildung nutzlos verwertet -wird. Besonders während der „Überladung‟ (Ladung nach Beginn des -„Kochens‟) werden größere Elektrizitätsmengen für die Abscheidung von -Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht, die bei der Entladung nicht -wiedergewonnen werden. Bei einer Wirkungsgradbestimmung wird man daher -von einer Überladung absehen. - -Kleine Verluste können auch dadurch verursacht werden, daß während der -Ladung Teilchen der aktiven Masse durch die Gase abgekratzt oder -losgesprengt werden. - -Läßt man das Element nach erfolgter Ladung unbenutzt stehen, so erfolgt -Selbstentladung, die eine Verringerung von Q₂ zur Folge hat. Je länger -also die zwischen Ladung und Entladung liegende Zeit ist, um so geringer -wird der Wirkungsgrad. - -~Nutzeffekt~[63]. Man versteht darunter den Quotienten, den man erhält, -wenn man die vom Akkumulator während der Entladung abgegebene Energie -(gemessen in Wattstunden) durch die dem Akkumulator bei der -vorhergegangenen Ladung zugeführte Energie (in Wattstunden) dividiert. -Beispiel: Eine Zelle wurde mit 50 Amper 4 Stunden lang geladen; die -mittlere Ladespannung war 2,3 Volt; die dem Akkumulator zugeführte -Energie w₁ betrug - - w₁ = 2,3 . 50.4 Wattstdn. = 460 Wattstdn. - -Die Zelle wurde etwa ½ Stunde nach der Ladung mit 50 Amp. entladen; nach -ungefähr 3¾ Stunden war die Spannung auf 1,8 Volt gesunken. Da die -mittlere Spannung, wie die Messungen ergaben, jetzt rund 1,9 Volt -betrug, so belief sich die vom Akkumulator abgegebene Leistung w₂ auf - - w₂ = 50 . 3,75 . 1,9 Wattstdn. = 356,25 Wattstdn. - -Mithin war in diesem Falle der Nutzeffekt gleich - - w₂ 356,25 - -- = ------ = 0,77 oder 77%. - w₁ 460 - -Im Laboratorium kann man, wenn man mit geringer Stromdichte lädt und -entlädt, einen Nutzeffekt von 90% und noch mehr erzielen. Mit -zunehmender Entladestromstärke nimmt der Quotient ab. In der Praxis -rechnet man mit einem Nutzeffekte von 70-75%. [Auf die Rolle, die die -zwischen Ladung und Entladung liegende Zeit spielt, ist schon aufmerksam -gemacht worden.] - -Man könnte der Ansicht sein, daß der Nutzeffekt deshalb mit wachsender -Entladestromstärke sinkt, weil bei größerer Stromdichte der innere -Widerstand des Akkumulators zunimmt. Daß sich dieser mit der Stromstärke -und mit der Dauer der Zufuhr bezw. Entnahme von Elektrizität etwas -ändert, soll später nachgewiesen werden. Einstweilen begnügen wir uns -mit der Bemerkung, daß der innere Widerstand auch kleiner Zellen in den -verschiedenen Stadien der Ladung und Entladung und daher auch der -Spannungsverlust im Elemente (i · w) so klein ist, daß durch ihn der -Nutzeffekt nur in geringem Maße beeinflußt wird. Die Gründe, weshalb der -Nutzeffekt weit unter 100% liegt, sind schon früher dargelegt worden; -diese sind die Konzentrationsänderungen und die Abhängigkeit der -elektromotorischen Kraft von der Säuredichte. - - Daß durch die Konzentrationsänderungen, die sich sowohl bei der Ladung - wie bei der Entladung vollziehen, Arbeitsverluste verursacht werden, - kann man sich auch folgendermaßen klar machen. Wenn man zwei - Schwefelsäurelösungen verschiedener Konzentration mischt, so wird - Wärme frei; sollen umgekehrt die beiden miteinander vermischten Säuren - getrennt, soll also ein Konzentrationsunterschied hergestellt werden, - so muß Arbeit aufgewendet werden. Da nun im Akkumulator durch den - Strom ein Konzentrationsunterschied hergestellt und aufrecht erhalten - wird, so muß hierfür elektrische Energie verbraucht werden. - ~Dolezalek~ leitet eine Formel für die betreffenden Energieverluste - ab, aus der sich ergibt, daß der Nutzeffekt abhängig ist von dem - mechanischen Bau (Porosität) der Platten, von der Leitfähigkeit der - Plattensäure, von der Stromstärke und von der Zeit. Beachtenswert ist, - daß diese Energieverluste, ebenso wie die der Jouleschen Wärme - entsprechenden der Leitfähigkeit der Säure umgekehrt proportional - sind. Da nun Säure vom spezifischen Gewicht 1,22 (ca. 30% - Schwefelsäure) das Maximum der Leitfähigkeit besitzt, so ist der - Nutzeffekt bei dieser Säuredichte am größten. - -Die Arbeitsverluste kann man graphisch bestimmen, wenn man die Lade- und -Entladekurve aufgenommen hat. Wählt man nämlich für die beiden Kurven -dieselben Koordinatenachsen (Zeiten als Abszissen, Spannungen als -Ordinaten), so schließen dieselben eine Fläche ein, die ein Maß für die -Energieverluste ist. Um dies zu beweisen, denken wir uns die Zeit in -Abschnitte t₁, t₂ ... zerlegt, die so klein sind, daß man von der -Änderung der Spannung während eines jeden Intervalls absehen kann. -Nennen wir die zugehörigen Spannungen bei der Ladung E₁, E₂ ..., bei der -Entladung e₁, e₂ ..., und bezeichnen wir die (konstante) Stromstärke, -die bei der Ladung und Entladung die gleiche sein muß, mit J, so ist die - - Ladearbeit während der Zeit t₁ gleich E₁ · J · t₁, - „ „ „ „ t₂ „ E₂ · J · t₂ ... - Entladearbeit „ „ „ t₁ „ e₁ · J · t₁, - „ „ „ „ t₂ „ e₂ · J · t₂ ... - -Der Energieverlust in der Zeit t₁ ist mithin (E₁ - e₁) · J · t₁ oder -proportional (E₁ - e₁) · t₁. Durch dieses Produkt wird aber das der Zeit -t₁ entsprechende Stück der zwischen den beiden Kurven liegenden Fläche -dargestellt usw. - -Der ~innere Widerstand~ eines Akkumulators, der bei Pufferbatterien (s. -Kap. 9) eine wichtige Rolle spielt, kann in drei Summanden zerlegt -werden, nämlich in den Widerstand, den der Strom in den verschiedenen -Teilen der positiven Platte (bezw. Platten) findet (w_{p}), denjenigen -in der negativen Elektrode (w_{n}) und den Widerstand in der Säure -zwischen den Elektroden (w_{s}). Zu w_{p} und w_{n} ist auch derjenige -Widerstand zu rechnen, den die Elektrizität in der in den Poren -befindlichen Säure findet. Diese beiden Summanden, die unter sonst -gleichen Umständen bei ~Planté~-Platten einen anderen Wert haben als bei -~Faure~-Platten, ändern sich im Laufe der Ladung und Entladung. Je mehr -Bleisulfat nämlich zwischen den Blei- bezw. Bleisuperoxydpartikelchen -verteilt ist, um so größer werden w_{p} und w_{n}; ferner steigt bezw. -sinkt die Konzentration der Säure in den Poren; endlich hat die -Erzeugung von Joulescher Wärme eine Temperaturerhöhung zur Folge. Auch -mit dem Alter der Platten ändern sich die beiden Widerstände (s. -Lebensdauer). - -w_{s} ist ebenfalls variabel, da die Dichte der Säure zwischen den -Platten (der „äußeren‟ Säure) während der Ladung zunimmt und bei der -Entladung sinkt; dies gilt besonders von denjenigen Schichten der Säure, -die an die Oberflächen der Platten grenzen; auch können Gase, die sich -gegen Ende der Entladung entwickeln, eine Vergrößerung von w_{s} -verursachen. - -Die Leitfähigkeit einer Schwefelsäurelösung ändert sich mit dem -spezifischen Gewichte. Setzt man einer bestimmten Menge Wasser -Schwefelsäure in kleineren Quantitäten nach und nach zu, so findet man, -daß das Leitungsvermögen zuerst schnell, dann langsam wächst, später -aber wieder abnimmt; bei einer Säuredichte von 1,224 ist das -Leitungsvermögen ein Maximum. Die betreffende Lösung enthält etwa 30,5 -Gewichtsprozente Schwefelsäure; der spezifische Widerstand (Widerstand -pro cm³) beträgt etwa 1,35 Ohm[64]. - -Der Widerstand eines Akkumulators im stromlosen Zustande kann wie -derjenige eines jeden anderen elektrolytischen Apparates bestimmt -werden. Bei der einfachen Brückenschaltung mit den von F. ~Kohlrausch~ -angegebenen Modifikationen (Wechselströme, Telephon) erhält man -besonders bei größeren Zellen (bei solchen ist der Widerstand kaum ein -Tausendstel Ohm groß) wegen der Übergangswiderstände an den Klemmen -keine genauen Resultate. Diese werden bei der Brückenschaltung von -~Matthiesen~ und ~Hockin~ eliminiert. - - Angenähert (der Größenordnung nach) kann man den inneren Widerstand - folgendermaßen bestimmen. Man lädt das Element, dessen Widerstand man - ermitteln will, aus zwei hintereinander geschalteten Akkumulatoren - unter Einschaltung eines Kurbelrheostats. Die Klemmen der Ladebatterie - seien k₁ und k₂, die daran befestigten Drähte d₁ und d₂. Legt man d₁ - ~und~ d₂ an k₁ (oder an k₂), so gibt das zu untersuchende Element - Strom ab. Dieser Strom ist bei Beginn der Ladung nur wenig verschieden - von dem Ladestrom. Bei einiger Übung kann man innerhalb eines - Zeitraumes von einigen Sekunden laden, umschalten (also entladen) und - die nötigen Ablesungen an einem mit den Klemmen des Elementes - verbundenen Voltmeter vornehmen. Während der Ladung ist - - e = E + i · w - - (e = Klemmenspannung, E = elektromotorische Kraft der Zelle) - - und während der Entladung ist - - e′ = E - i · w. - - Die Differenz der beiden Klemmenspannungen ist also (angenähert) - gleich 2wi. - -Wenn die elektromotorische Kraft eines Akkumulators konstant wäre, so -könnte man w leicht während der Ladung und Entladung bestimmen; denn -dann wäre - - e - E - w = -----. - i - -Es würde genügen, „den Stromkreis für kurze Zeit zu öffnen‟ und die -Spannung, die das mit den Klemmen verbundene aperiodische Voltmeter -anzeigt (E), abzulesen. Wie jedoch aus den Kurven im folgenden Kapitel -hervorgeht, gehen die Änderungen der elektromotorischen Kraft schnell -vor sich, so daß die Unterbrechungsmethode sehr unzuverlässig ist. Will -man den Widerstand einer Zelle während des Stromdurchganges genau -bestimmen, so kann man die Methode von ~Uppenborn~[65] oder die von -~Nernst~ und ~Haagn~ angegebene benutzen. Letztere unterscheidet sich -von der gewöhnlichen Brückenmethode dadurch, daß zwei Widerstände durch -Kondensatoren ersetzt sind, außerdem wird noch ein Hilfskondensator -eingeschaltet, der verhindert, daß die Zelle Strom in die -Brückenanordnung sendet[66]. (Eine ausführliche Beschreibung der -verschiedenen Meßmethoden findet man in dem bekannten Werke von F. -~Kohlrausch~, Leitfaden der Physik.) - -Nach Messungen von ~Haagn~ stieg der Widerstand einer kleinen Zelle -während der etwa fünfstündigen Entladung von 0,018 bis 0,045 Ohm, -während der Ladung fiel er von 0,04 auf 0,018 Ohm. Nach Messungen von -~Häberlein~ verhält sich der Widerstand bei Beginn zu demjenigen am Ende -der Ladung wie 17 : 24. ~Roloff~ gibt für die Type 3 × J₁ der -Akkumulatoren-Fabrik Akt.-Ges. an, daß der Widerstand bei Beginn der -Entladung 0,0012 Ohm und am Ende 0,0018 Ohm war. - - Da die Konzentration der Säure in den Poren der wirksamen Masse von - der Stromdichte abhängig ist, so folgt erstens, daß bei schneller - Entladung (großer Stromdichte) der durchschnittliche (mittlere) - Widerstand größer ist als bei langsamer Entladung und zweitens, daß - der Spannungsabfall im Elemente (w · J) nicht linear mit der - Stromdichte wächst, sondern in einem etwas stärkeren Verhältnisse. - -Wenn man Zellen von verschiedener Kapazität, die aus Platten von -derselben Konstruktion zusammengesetzt sind und Säure von derselben -Dichte enthalten, mit gleicher Stromdichte beansprucht, so darf man das -Produkt w · J als konstant ansehen; denn in dem Maße, in dem w bei den -großen Zellen abnimmt, wächst J. - - [52] Wenn man zwischen Platin- oder Kohlenelektroden verdünnte - Schwefelsäure zersetzt, so steigen an den Außenseiten der Elektroden - nur wenige Gasblasen empor. Bei der Ladung eines Akkumulators wird - dementsprechend an der Außenseite der positiven und negativen - Elektrode nur wenig Bleisuperoxyd bezw. Blei gebildet. - - [53] Diese müßte eigentlich als „Kapazität‟ schlechthin bezeichnet - werden. - - [54] E. T. Z. 1904, S. 587. - - [55] E. T. Z. 1897, S. 287. - - [56] E. T. Z. 1889, S. 88. - - [57] E. T. Z. 1901, S. 811. - - [58] Wenn man einen Elektrolyten erwärmt, so wächst das - Leitungsvermögen ziemlich stark. - - [59] ~P. Schoop~, Die Sekundär-Elemente. - - [60] Zeitschr. f. Elektrochemie 1902, Nr. 44. - - [61] Liebenow empfiehlt als Meßelektrode eine kleine Zelle aus Ton - (porös), in der sich Kadmiumamalgam und eine konzentrierte Lösung von - Kadmiumsulfat in Akkumulatorensäure befindet. Ein durch einen Glasstab - isolierter Draht geht bis zum Kadmiumamalgam. Man stellt die Zelle auf - die Oberkante der Platten; ihr unteres Ende muß dann von der Säure - benetzt werden. Die Anordnung entspricht einem Voltaschen Elemente, - bei dem eine Elektrode in einer mit verdünnter Schwefelsäure - angefüllten Tonzelle steht. - - [62] Was hier „Wirkungsgrad‟ genannt wird, wird von anderen Autoren - als „Güteverhältnis‟ bezeichnet, während das Verhältnis der - entnommenen Energie zu der bei der Ladung aufgewendeten Energie - vielfach als Wirkungsgrad bezeichnet wird. - - [63] Man vergleiche die Fußnote auf der vorigen Seite. - - [64] Man bezieht das Leitvermögen (und den spezifischen Widerstand) - der Elektrolyte auf eine Säule von 1 cm Länge und 1 qcm Querschnitt, - also kurz auf 1 ccm. - - [65] Näheres siehe ~Uppenborn~, Kalender für Elektrotechniker. - - [66] Zeitschr. f. Elektrochemie 1897, S. 421. - - - - -Viertes Kapitel. - -Ladung und Entladung. - - -Wir wollen zunächst das ~Verhalten~ des Bleiakkumulators während der -Ladung und Entladung betrachten. - -1. ~Ladung~. In den ersten Minuten nach Beginn der Ladung, für die das -in Fig. 2 (s. S. 26) gegebene Schaltungsschema gilt, steigt die -Klemmenspannung des Akkumulators ziemlich schnell auf 2,1 bis 2,18 -Volt[67]. Oft beobachtet man, daß die Spannung im Anfange der Ladung -zuerst steigt und dann wieder etwas abfällt, daß also das erste Stück -der Spannungskurve einen kleinen Höcker aufweist. Während des größten -Teiles der Ladung wächst die Spannung nur ganz langsam bis zu 2,2 Volt; -gegen Ende der Ladung erfolgt ein schneller Anstieg der Kurve. - -Bei etwa 2,3 Volt beginnt die Gasentwicklung; an den Anoden schon etwas -früher; sie ist zuerst schwach, dann lebhaft; der Akkumulator „kocht‟. -Die Klemmenspannung hängt besonders während der Gasbildung in hohem Maße -von der Ladestromstärke ab (s. Fig. 7); hat der Strom noch den der -vierstündigen Ladung entsprechenden Wert, so steigt die Spannung bis zu -etwa 2,7 Volt und ev. noch höher. - -[Illustration: Fig. 7.] - -[Illustration: Fig. 8.] - -In den Fig. 7 und 8 ist der Verlauf der Klemmenspannung bei Beginn und -gegen Ende der Ladung graphisch dargestellt. Die Zelle bestand aus 5 -Platten, 2 positiven und 3 negativen (10 cm × 14 cm); die ersteren waren -Großoberflächenplatten. Die Stromdichte betrug zuerst etwa 0,6, später -etwa 0,4 Amp. pro Quadratdezimeter, bezogen auf die positiven Platten. - -Die Stromdichte war verhältnismäßig klein. Nach ~Heim~[68] ist -bei dreistündiger Entladung die Stromdichte bei positiven -Großoberflächenplatten 1,3-1 Amp. pro 1 dm². - -Vereinzelte Gasblasen sieht man während der ganzen Ladung emporsteigen. -Die Gase, die sich entwickeln, sind die Elemente des Wassers, und zwar -entweicht der Sauerstoff an den positiven, der Wasserstoff an den -negativen Platten. Die stärkere Gasentwicklung ist ein Zeichen, daß der -chemische Umsatz an den dem Strome zugänglichen Teilen der aktiven Masse -nahezu vollendet ist. Hat man den Akkumulator mit der höchsten -zulässigen Stromstärke geladen, so setzt man, sobald lebhafte Gasbildung -erfolgt, den Strom auf die Hälfte bis ein Drittel seiner bisherigen -Stärke herab. - -Die Klemmenspannung e während der Ladung kann in zwei Summanden zerlegt -werden; der eine Teil dient dazu, die Gegenspannung (die momentane -elektromotorische Kraft) des Elementes E aufzuheben, der andere, den -Ohmschen Widerstand w der Zelle zu überwinden: - - e = E + i · w. - -Man beobachtet oft, wie schon erwähnt wurde, daß kurze Zeit nach Beginn -der Ladung die Potentialdifferenz der Klemmen etwas sinkt und dann -wieder ansteigt. Diese Erscheinung ist nach Dolezalek auf eine Änderung -des Widerstandes zurückzuführen, den der Strom in den Platten findet. -Während der der Ladung vorausgegangenen Ruhepause bedecken sich die -Elektroden wahrscheinlich mit einer sehr dünnen Schicht von -schlechtleitendem Bleisulfat (s. Sulfatierung). Dieses wird, wenn die -Ladung beginnt, in kurzer Zeit gelöst. Im übrigen wird durch die -Änderung des inneren Widerstandes während der Ladung die Klemmenspannung -nur wenig beeinflußt. Das anfängliche schnelle und das spätere langsame -Wachsen der Klemmenspannung ist auf die Änderung der Konzentration der -Säure in den Poren der wirksamen Masse und der äußeren Säure -zurückzuführen. Sobald die Stromzufuhr beginnt, wird in den Poren Säure -frei, die Konzentration (und damit die elektromotorische Kraft) steigt -so lange, bis in jedem Zeitteilchen gerade soviel Säure durch Diffusion -nach außen gelangt, wie in den Poren durch den chemischen Umsatz erzeugt -wird. Je größer die Ladestromstärke ist, um so größer wird der -Unterschied der Konzentration der beiden Säuren, um so größer wird die -Klemmenspannung. Die Differenz der beiden Konzentrationen können wir, -wenn mit konstanter (nicht zu großer) Stromdichte geladen wird, als -konstant ansehen; wächst also die Dichte der äußeren Säure, so nimmt -auch diejenige der Säure in den Poren zu. - -Gegen Ende der Ladung werden von den Platten Gase absorbiert, man -spricht daher von einer „Gaspolarisation‟. Da die Okklusionsfähigkeit -des Bleies nur eine geringe ist, so ist es sehr zweifelhaft, ob die -Gaspolarisation überhaupt eine Rolle spielt. Übrigens kann man, wie wir -gesehen haben, den starken Anstieg der Spannung gegen Ende der Ladung -darauf zurückführen, daß der Elektrolyt an Bleisulfat verarmt und daher -die Konzentration der Blei- und Bleisuperoxydionen[69] eine sehr -geringe wird (siehe Theorie von ~Liebenow~). - -Verschiedene Firmen schreiben vor, daß die von ihnen gelieferten -Akkumulatoren ab und zu nach Beginn der lebhaften Gasentwicklung noch -längere Zeit, etwa 2-3 Stunden lang, weiter geladen werden sollen. Der -Zweck der ~Überladung~, die im allgemeinen schädlich ist, weil durch die -entweichenden Gase Teilchen der aktiven Masse abgerissen werden, die -ferner eine nicht unwesentliche Verringerung des Nutzeffektes zur Folge -hat, ist ein zweifacher. Es kommt zuweilen vor, daß einzelne Zellen -einer Batterie aus irgend einem Grunde gegen die anderen -„zurückbleiben‟. Bei diesen Zellen erfolgt die Umwandlung von Bleisulfat -in Blei bezw. Bleisuperoxyd langsamer als bei den übrigen Elementen, die -sich in normalem Zustande befinden. Während der Überladung geht nun die -chemische Umwandlung in den kranken Zellen noch weiter vor sich, so daß -ihnen Gelegenheit gegeben wird, sich zu erholen. Ferner werden durch die -während der Überladung entweichenden Gasblasen Strömungen in der Säure -hervorgerufen (die Säure wird aufgewühlt), die eine Vermischung der -unteren, dichteren Schichten mit den oberen, weniger dichten zur Folge -haben. Die Konzentrationsverschiebungen kommen dadurch zustande, daß -während der Ladung konzentrierte Schwefelsäure zu Boden sinkt. (Die -Konzentrationsunterschiede kann man leicht nachweisen, indem man mittels -eines Hebers Säure aus den oberen und den unteren Schichten entnimmt und -mittels des Aräometers die Dichte mißt.) - -~Die Stromdichte darf bei der Ladung einen gewissen oberen Grenzwert -nicht überschreiten~, weil sonst 1. die Umwandlung nur oder fast -ausschließlich an der Oberfläche der Platten vor sich geht (s. -Kapazität), 2. die Ladespannung einen zu hohen Wert hat (s. Nutzeffekt) -und 3. infolge der schnellen, den chemischen Umsatz begleitenden -Volumänderungen sich der Zusammenhang zwischen der aktiven Masse lockern -kann (s. auch S. 14, Überschwefelsäure). - -Die größte zulässige Stromdichte hängt von der wirksamen Oberfläche, von -der Dicke der aktiven Schicht und von der Porosität der Platten ab. -Gewöhnlich beträgt ~der maximale Ladestrom~ (wie er von den Fabriken -angegeben wird) so viel Amper, wie der dritte Teil der Kapazität bei -dreistündiger Entladung angibt. Ist z. B. die Kapazität bei -dreistündiger Entladung 120 Amperstunden, so ist die maximale -Ladestromstärke gleich 40 Amp. - -Kennt man die ~maximale Ladestromstärke~ nicht, so bestimme man die -projizierte Oberfläche der Positiven; ist die Länge einer Platte a cm, -die Breite b cm, so ist die Oberfläche einer Platte 2 a b cm²; pro -Quadratdezimeter darf man 0,6 bis 0,7 Amp. rechnen. - - ~Eine untere Grenze für die Ladestromstärke gibt es nicht~; im - Gegenteil, je kleiner die Stromstärke, um so günstiger die Ökonomie, - um so gründlicher erfolgt der chemische Umsatz. Besonders wenn Zellen - zu sehr in Anspruch genommen wurden, oder einige Zeit in entladenem - Zustande gestanden haben, ist ihnen eine Ladung mit schwachem Strome - von Nutzen. - -Über die ~Ladung~ von Akkumulatoren bei ~konstanter Spannung~ hat -~Heim~[70] eingehende Versuche ausgeführt. - -Einer Reihe von Ladungen mit (angenähert) konstanter Stromstärke, wie -sie für drei- bis vierstündige Ladung vorgeschrieben ist, d. h. von -normalen Ladungen, folgten Ladungen mit konstanter Spannung von 2,4 -Volt, später von 2,5 Volt pro Zelle. Hierbei ist die anfängliche -Stromstärke eine verhältnismäßig sehr große, sie sinkt aber schnell. Die -Zellen nehmen in jedem Augenblicke diejenige Elektrizitätsmenge auf, die -ihrem momentanen Ladezustande angemessen ist; bei Beginn der Ladung ist -die Aufnahmefähigkeit der Zelle eine sehr große. Es ergab sich, daß „der -Nutzeffekt beim Laden mit konstanter Spannung von 2,4 bis 2,5 Volt und -einer Ladezeit von etwa ½ Stunde nicht sehr wesentlich ungünstiger -ausfällt, als man ihn bei 3½- bis 4stündigen Ladungen und 3stündigen -Entladungen mit konstantem Strome erzielt‟. Ferner fand ~Heim~, daß -durch eine 1½stündige Ladung bei konstanter Spannung von 2,4 Volt die -Zellen nicht ganz, bei 2,5 Volt dagegen fast so weit geladen werden, wie -durch 3½stündige Ladungen mit konstanter Stromstärke. Durch ½stündige -Ladung bei 2,4 Volt erreicht man die Hälfte, durch ½stündiges Laden mit -2,5 Volt zwei Drittel der beim Laden mit konstanter Stromstärke -erzielten Kapazität. Der Wirkungsgrad in Amperstunden war fast so -günstig wie bei der Ladung mit konstanter Stromstärke. - -Von der Ladung mit konstanter Spannung wird man aber nur in -Ausnahmefällen Gebrauch machen, wohl nur dann, wenn die Zeit, die für -die Ladung zur Verfügung steht, knapp bemessen ist, da ihrer Anwendung -die schnellere Abnutzung der Platten und vielfach auch der hohe Betrag -der anfänglichen Stromstärke im Wege steht. War doch die Stromstärke bei -Beginn der Ladung mit 2,5 Volt 6-7 Mal größer als der höchste zulässige -Ladestrom[71] und zwar bei einer Type „für starke Entladung‟. - -2. Wir wollen uns jetzt mit den verschiedenen ~Stromquellen~ -beschäftigen, die ~für die Ladung~ von Akkumulatoren in Betracht kommen. - -Am einfachsten gestaltet sich die Ladung, wenn vorhanden ist ein a) -~Anschluß an ein Gleichstromnetz~. Da die positive Leitung an den -positiven Pol der Batterie anzuschließen ist, so muß man in -zweifelhaften Fällen zunächst die Polarität der Leitungen bestimmen. Am -einfachsten benutzt man die elektrochemische Methode: Man kann z. B. -einen Wasserzersetzungsapparat mit den Drähten des Netzes verbinden, -wobei eventuell durch einen Vorschaltwiderstand der Strom abzuschwächen -ist; diejenige Elektrode, an der die Gasentwickelung am stürmischsten -erfolgt, ist mit der negativen Leitung verbunden. Vielfach benutzt man -für die Bestimmung der Polarität Polreagenzpapier[72]. Dieses wird vor -dem Gebrauche mit Wasser angefeuchtet und auf eine isolierende Unterlage -(die Tischplatte) gelegt. Die Enden der Drähte, deren Polarität man -bestimmen will, drückt man gegen das Papier; dieses färbt sich, wenn es -mit der Lösung eines Alkalisalzes (+ Phenolphtaleïn) imprägniert ist, an -derjenigen Stelle, wo es von dem negativen Leitungsdrahte berührt wird, -rot. - -Ob man bei der Ladung alle Zellen hintereinanderschaltet oder -gruppenweise (z. B. die Hälfte) hintereinander und die Gruppen parallel -schaltet, hängt von der zur Verfügung stehenden Netzspannung ab. -Beträgt z. B. die Netzspannung 110 Volt, und rechnen wir als -Endspannung jeder Zelle 2,7 Volt, so kann man 110/2,7 = 41 Zellen in -Hintereinanderschaltung laden. Soll eine größere Anzahl von Zellen -geladen werden, handelt es sich beispielsweise um 80 Zellen, so werden -je 40 Zellen in Reihe geschaltet; wir erhalten dann vier freie Pole, -zwei positive und zwei negative. Man verbindet nun die beiden positiven -Pole durch einen Draht miteinander und ebenso die beiden negativen; an -die beiden Verbindungsdrähte wird die Netzleitung angeschlossen (siehe -auch S. 97). - -In den Ladestromkreis schaltet man ein Ampermeter und einen -veränderlichen Widerstand ein. Je größer die Spannung des Netzes und je -kleiner die Anzahl der zu ladenden Zellen ist, um so größer muß der -Rheostat sein. - - Beispiel: Netzspannung 110 Volt, Anzahl der Zellen 20, Ladestromstärke - 15 Amper. Da die Spannung jeder Zelle bei Beginn der Ladung rund 2 - Volt beträgt, so müssen in dem Vorschaltwiderstand 110 - 40 = 70 Volt - erdrosselt werden. Der Spannungsabfall in einem Widerstande von w Ohm - beträgt aber, wenn ein Strom von i Amper durch den Widerstand fließt, - w · i Volt. Mithin muß der Vorschaltwiderstand 70/15 = 4,7 Ohm haben. - Ist er etwas kleiner, so schadet das weiter nichts, da die - Gegenspannung jeder Zelle in ganz kurzer Zeit auf 2,1 Volt steigt. -- - -Will man mit konstanter Stromstärke laden, so muß man von Zeit zu Zeit -einen Teil des Vorschaltwiderstandes abschalten[73]. - -Wenn nur wenige Zellen geladen werden sollen und die Netzspannung hoch -ist, so kann man statt eines Kurbelrheostates Glühlampen als -Vorschaltwiderstand benutzen (Lampenwiderstand). 16kerzige Lampen für -110 Volt verbrauchen rund 0,5 Amper, haben also bei normalem -Stromdurchgang einen Widerstand von etwa 220 Ohm (der Widerstand des -Kohlefadens nimmt mit steigender Temperatur ab). Schaltet man n solcher -Lampen parallel, so entsprechen diese einem Widerstand von 220/n Ohm; je -größer man also n macht, um so stärker wird der Ladestrom. Das -Schaltungsschema ist in Fig. 9 dargestellt: _L_₁ und _L_₂ sind die -Drähte der Starkstromleitung, _L.W._ ist der Lampenwiderstand, _B_ die -Batterie. - -[Illustration: Fig. 9.] - - Handelt es sich um die Ladung einer kleinen Anzahl von Zellen, so ist - die Stromentnahme aus einem Netze höherer Spannung nicht ökonomisch, - da der größte Teil der entnommenen Energie in dem Vorschaltwiderstand - nutzlos in Wärme umgesetzt wird. - -b) ~Anschluß an ein Wechselstromnetz.~ Wechselstrom kann man für die -Ladung einer Batterie nicht verwenden. Es muß also entweder eine -Umformung in Gleichstrom erfolgen, oder es muß die eine Hälfte einer -jeden Stromwelle unterdrückt bezw. stark geschwächt werden. - -Die Umformung erfolgt entweder in einem ~Motorgenerator~ (Motordynamo) -oder in einem ~Einanker-Umformer~ (auch rotierender Umformer genannt). -Ersterer besteht aus einem Wechselstrommotor und einer von diesem -angetriebenen Gleichstrommaschine, letzterer ist eine Dynamomaschine, -deren Anker auf der einen Seite mit Schleifringen, auf der anderen mit -einem Kommutator (Kollektor) versehen ist. Die Benutzung eines -Motorgenerators gewährt den Vorteil, daß man die Spannung der -Gleichstrommaschine in einfacher Weise regulieren kann, während eine -Änderung der Gleichstromspannung bei einem rotierenden Umformer zwar -möglich, aber ziemlich kompliziert ist. Es ist nämlich das Verhältnis -zwischen der eingeleiteten Wechselspannung und der von den Bürsten -abgenommenen Gleichstromspannung ein festes[74], und zwar geben -theoretisch bei Einphasenstrom-Gleichstromumformern 100 Volt zugeführte -(effektive) Spannung 141 Volt (100:√½) Gleichstromspannung und bei -Drehstrom-Gleichstromumformern entsprechen 100 Volt Spannung zwischen -zwei Schleifringen (Phasenstromspannung) 163 Volt (100:½√⅔) an den -Bürsten. - -Als „~Gleichrichter~‟ kann auch die ~Quecksilberdampflampe~ von ~Cooper -Hewitt~ benutzt werden, die u. a. von der Firma Heräus in Hanau auf den -Markt gebracht wird. Stellt man zwischen ungleichartigen Elektroden (z. -B. zwischen Eisen und einer Dochtkohle) einen Wechselstromlichtbogen -her, so geht der Strom leichter in dem einen Sinne (vom Eisen zur -Kohle) über als im anderen Sinne[75]. Bei der Quecksilberdampflampe sind -die Elektroden Eisen und Quecksilber. In der Physikal.-Techn. -Reichsanstalt wurden eingehende Versuche und zwar durchaus -zufriedenstellende mit diesem Gleichrichter angestellt, die sich auf -Einphasen- und Drehstrom bezogen[76]. Es ergab sich, daß der -Spannungsverlust bei 3 Amp. 18 Volt und bei 10,5 Amp. 15 Volt betrug. -Beträgt also die Netzspannung 150 Volt, so beträgt der Energieverlust -bei 10,5 Amp. Stromstärke 10%. Ein Vorzug des Quecksilber-Gleichrichters -besteht auch darin, daß er ohne Beaufsichtigung (während der Nacht) im -Betrieb bleiben kann. - -Die ~elektrolytischen Umformer~, welche die Umwandlung von Wechselstrom -in pulsierenden Gleichstrom bezwecken, beruhen auf folgendem Prinzip. -Bildet man aus einer Aluminium- und einer Blei- (oder Platin-)elektrode -und verdünnter Schwefelsäure (oder einer Lösung der Sulfate der Alkalien -oder des Alauns) einen elektrolytischen Apparat, so fließt bei -Verwendung von Gleichstrom, falls die Spannung einen gewissen Betrag -nicht übersteigt, nur dann Strom durch die Zelle, wenn Aluminium die -negative Elektrode ist (unipolare Elektrode). Man nimmt an, daß sich bei -der umgekehrten Richtung das SO₄ mit Aluminium zu einer sehr dünnen -unlöslichen Schicht von basischem Aluminiumsulfat verbindet, das den -elektrischen Strom nicht leitet[77]. Nachdem also eine geringe -Elektrizitätsmenge durch den Apparat geflossen ist, wird die Zelle zu -einem Kondensator. Schaltet man eine hinreichend große Anzahl der Zellen -hintereinander und verbindet die Endklemmen mit einem Wechselstromnetze, -so wird von jeder Stromwelle die Hälfte unterdrückt und man erhält -pulsierenden Gleichstrom[78]. - -[Illustration: Fig. 10.] - -Sollen die beiden halben Wellen des Wechselstromes ausgenutzt werden, so -wendet man die in Fig. 10 angegebene Schaltung an. Ist die Klemme _K_₁ -der Wechselstrommaschine die positive, so geht der Strom durch die Zelle -_2_, durch die zu ladende Batterie _B_, durch die Zelle _3_ zur Maschine -zurück; ist _K_₂ positiv, so geht der Strom durch die Zellen _4_ und -_1_. Für 110 Volt Wechselstrom genügen 4 Zellen. - -[Illustration: Fig. 11.] - -c) ~Laden mittels einer Gleichstrommaschine.~ Am besten eignet sich die -Nebenschlußmaschine. Eine solche (mit 2 Polen) ist in Fig. 11 -schematisch dargestellt. Der im Anker _A_ erzeugte Strom teilt sich -hinter der positiven Bürste; ein kleiner Teil (_i_) fließt durch die -zahlreichen Windungen des linken Elektromagnetschenkels, durch den -Regulierwiderstand _R_, die Windungen auf der rechten Seite und endlich -durch die Bürste _B_₂ zum Anker zurück. Der Hauptstrom _J_ fließt durch -die Akkumulatorenbatterie, deren positiver Pol mit der positiven Bürste -verbunden sein muß. - -Verringert man bei einer bestimmten Klemmenspannung den Widerstand in -_R_ (durch Drehen der Kurbel), so wächst _i_, der Erregerstrom, und es -wird, falls die Feldmagnete nicht schon vorher gesättigt waren, das -magnetische Feld verstärkt, so daß die elektromotorische Kraft der -Maschine steigt. Umgekehrt kann man durch Vergrößerung von _R_ die -elektromotorische Kraft verringern. Da man mit Hilfe des Rheostates die -Spannung regulieren kann, so nennt man ihn Regulator. Die -Spannungsregulierung kann in ziemlich weiten Grenzen vorgenommen werden. - - Wir wollen annehmen, daß die Tourenzahl der Maschine, wie es meistens - zutrifft, nicht verändert werden kann. Man kann dann nur durch - Verstärkung des Erregerstromes die Spannung steigern, natürlich nur so - lange, bis die Elektromagnete gesättigt sind. Im allgemeinen wird nun - die Maschine so gebaut, daß ihre Feldmagnete bei der normalen Spannung - (z. B. 110 Volt) nahezu gesättigt sind. Soll eine Nebenschlußmaschine - also zeitweise eine wesentlich höhere Spannung, als man sie gewöhnlich - von ihr verlangt, liefern, so muß der Magnetismus der Feldmagnete bei - der normalen Spannung noch ziemlich weit vom Maximum entfernt sein, d. - h. das Material (das Eisen) wird nur zeitweise vollständig ausgenutzt, - die Maschine ist also verhältnismäßig teuer. - -Die Gründe, weshalb sich die Nebenschlußmaschine für die Ladung von -Akkumulatoren besonders eignet, sind folgende. Da die Klemmenspannung -eines Akkumulators während der Ladung um 30-40% steigt[79], so muß, -wenn man nicht durch einen Vorschaltwiderstand den Strom zuerst -abschwächen will, die elektromotorische Kraft der Lademaschine -allmählich erhöht werden, was, wie schon gezeigt, bei der -Nebenschlußmaschine, ohne daß man die Tourenzahl ändert, leicht -geschehen kann. Nehmen wir ferner an, daß die elektromotorische Kraft -der Maschine aus irgend einem Grunde, etwa infolge Gleitens des Riemens, -plötzlich so stark sinkt, daß sie kleiner wird als die Spannung der -Batterie, die geladen wird; es schickt dann die Batterie Strom in die -Maschine[80]. Man erkennt nun leicht, wenn man die Fig. 11 betrachtet, -daß der durch die Elektromagnetwickelung fließende Akkumulatorenstrom -dieselbe Richtung hat wie der von der Maschine selbst vor Eintritt der -Störung in den Nebenschluß geschickte Strom. Die Feldmagnete ändern also -ihre Polarität nicht, sie werden nicht ~umpolarisiert~[81], und es -behält daher auch die im Anker induzierte elektromotorische Kraft ihre -Richtung bei; sie ist mithin stets der elektromotorischen Kraft der -Batterie entgegengesetzt gerichtet. Hört die Störung auf, so wächst die -induzierte elektromotorische Kraft, und die Maschine schickt wieder -Strom in die Batterie. - -Wie sich die Ladung gestaltet, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Es -soll nur ein bestimmter, in der Praxis häufig vorkommender Fall -besprochen werden. Es handle sich um eine Anlage mit 110 Volt; die -Anzahl der Zellen sei 60, die Spannung der Nebenschlußmaschine möge bis -zu 150 Volt erhöht werden können. Die Steigerung der Spannung um 40 Volt -wird nun nicht allein durch Vergrößerung der Feldstärke des -Magnetsystems, sondern auch durch Verringerung der Ankerrückwirkung -bewirkt. Da aber die Ankerreaktion von der Ankerstromstärke abhängig -ist, so ist man gegen Ende der Ladung, um die letzte Spannungserhöhung -zu erzielen, gezwungen, den Strom zu verringern. -- Bevor man die Dynamo -auf die Batterie schaltet, mißt man die Klemmenspannung der Batterie, -diese sei E. Dann erregt man die leer laufende Dynamo (mittels des -Nebenschlußregulators) so, daß ihre Spannung um einige Volt höher ist -als E und verbindet (durch Drehen des Schalters) die Dynamo mit der -Batterie; unter Beobachtung des Ampermeters wird die elektromotorische -Kraft der Maschine derartig reguliert, daß der gewünschte Ladestrom -zustande kommt. Im Verlaufe der Ladung muß von Zeit zu Zeit eine -Nachregulierung erfolgen. - -Bei den angenommenen Verhältnissen kann die ganze Batterie so lange -geladen werden, bis die Spannung pro Zelle 150/60 = 2,5 Volt beträgt. -Will man bis zu 2,7 Volt laden, so müssen einige Zellen abgeschaltet -werden (s. Zellenschalter). - -Wenn eine Dynamo vorhanden ist, die nur die für den normalen Betrieb -nötige Spannung (z. B. 110 Volt) liefern kann, so wird in vielen Fällen -eine ~Zusatzdynamo~ verwendet, die mit der Hauptmaschine in Reihe -geschaltet wird und die fehlende Spannung liefert. Meistens wird die -Zusatzdynamo durch einen Elektromotor angetrieben, dem Strom aus dem -Netze zugeführt wird. - -Wenn eine Zusatzmaschine nicht vorhanden ist und die Hauptmaschine nur -die für die Speisung der Lampen und Motoren nötige Spannung liefert, so -kann man die Batterie ~in zwei Hälften laden~ (s. S. 88). Hierbei muß -eventuell ein Teil der Maschinenspannung in einem Vorschaltwiderstand -getötet werden, dessen Größe man allmählich verringert. Sobald die -Ladung der Batterie beendigt ist, werden die beiden Gruppen wieder -hintereinander geschaltet. - - Die Ladung in zwei Hälften ist mit größeren Energieverlusten - verbunden. Besteht z. B. die Batterie bei 110 Volt Netzspannung aus 62 - Zellen, und rechnen wir als mittlere Ladespannung 2,2 Volt, so müssen - durchschnittlich (110 - 31 . 2,2) Volt = 41,8 Volt erdrosselt werden, - so daß 38% der von der Dynamo abgegebenen Energie im - Vorschaltwiderstand in Wärme umgesetzt werden. Die Ladung mit - Zusatzmaschine wird daher vorgezogen. - - Die Zusatzmaschine erhalte Strom von der Hauptmaschine. Rechnen wir - den Wirkungsgrad des Antriebsmotors und den der Zusatzmaschine zu 85%, - so ist der Wirkungsgrad des Aggregates gleich 0,85 . 0,85 = 0,7225. - Der Energieverlust beträgt also bei unseren Annahmen 27¾% der dem - Aggregate zugeführten Energie. - -Eine ~Schaltung~, die fast die ganze Netzspannung auszunutzen gestattet, -hat ~Micka~ angegeben. Angenommen, es sollen bei 110 Volt Netzspannung -63 Zellen geladen werden. Aus diesen werden drei gleich große Gruppen -gebildet, die wir mit I, II, III bezeichnen wollen. Die Zellen jeder -Gruppe werden in Reihe und die beiden Gruppen II und III parallel -geschaltet. Diese Doppelbatterie wird mit I in Serie geschaltet, so daß -die für 42 Zellen erforderliche Spannung vorhanden sein muß. Gruppe I -erhält also den vollen Ladestrom J, während II und ebenso III mit dem -Strome J/2 geladen werden. Mithin sind die Zellen der ersten Gruppe -früher geladen als die anderen. Nach Abschaltung von I werden II und III -hintereinander geschaltet. Es ist auch hier die Vorschaltung eines -Widerstandes nötig. Man kann auch in drei Zeitabschnitten laden, indem -man z. B. zuerst unter Vorschaltung eines Widerstandes Gruppe I und II -in Serie lädt, dann I und III und zuletzt II und III. (Siehe E. T. Z. -1908, S. 943). - -d) ~Ladung mittels der Thermosäule.~ Die Verwendung der Thermosäule für -die Ladung von Akkumulatoren ist besonders am Platze, wenn es sich um -eine kleinere Anzahl von Zellen handelt. Das Verfahren ist höchst -einfach, billig und mühelos: ein Vorschaltwiderstand ist überflüssig; -die Einschaltung eines Ampermeters ist nicht erforderlich, einer -Beaufsichtigung bedarf die Ladung nicht, man kann die Ladung auch -während der Nacht fortsetzen; der Gasverbrauch beträgt pro Stunde ⅕ bis -⅙ Kubikmeter (für etwa 2 Pfg.); da endlich mit geringer Stromdichte -geladen wird, so ist die chemische Umwandlung eine gründliche. - - Die ~Gülcher~sche Thermosäule besteht aus 66 hintereinander - geschalteten Elementen. Die elektromotorische Kraft ist am Abend etwas - höher als am Tage, da die Gaswerke am Tage den Gasdruck auf einer - etwas geringeren Höhe halten. Es ist jedoch nicht nötig, einen - Gasdruckregulator, dessen Verwendung vielfach empfohlen wird, - einzuschalten. Nach dem Anzünden der Gasflämmchen, das nicht sofort - nach Öffnung des Gashahnes, sondern erst etwa ¼ Minute später - geschehen darf, steigt die elektromotorische Kraft zuerst schnell, - dann langsam und erreicht in etwa 20 Minuten ihren Endwert von ca. 3,7 - Volt (am Abend). Der innere Widerstand der Säule beträgt rund 0,7 Ohm. - Man verbindet die Akkumulatoren erst einige Minuten nach dem Anzünden - der Gasflammen mit den Polen der Thermosäule (+ mit +, - mit -), weil - sonst der Akkumulator noch eine Zeitlang Strom abgibt. Wenn man sich - vergewissern will, ob der Akkumulator auch wirklich Strom aufnimmt, so - schaltet man ein Ampermeter ein[82]. Bei Beginn der Ladung gibt die - Thermosäule einen Strom von rund 2 Amper ab, später geht die - Stromstärke etwas zurück. - - Sind mehrere Zellen zu laden, so muß man diese parallel schalten, da - die Spannung der Thermosäule schon für die Ladung von zwei in Reihe - geschalteten Zellen zu klein ist. Es sei an dieser Stelle die - Bemerkung eingeschoben, daß man ~bei der Parallelschaltung~ der Zellen - ~keine Gewißheit~ hat, ~daß alle Zellen Strom aufnehmen~[83]. Ist bei - einer Zelle Sulfatierung erfolgt (s. S. 112), ihr Widerstand also sehr - groß, oder ist ein Kontakt mangelhaft, oder ein Verbindungsdraht - durchgebrochen o. dgl., so nimmt die Zelle keinen oder doch nur einen - ganz schwachen Strom auf. Um sich zu vergewissern, ob in alle Elemente - Strom fließt, verbinde man für einen Augenblick jede Zelle einzeln mit - der Thermosäule (Einschaltung eines Ampermeters). Gegen Ende der - Ladung sieht man zu, ob sich in jeder Zelle an beiden Elektroden Gase - entwickeln. - - Nach Beendigung der Ladung schaltet man zuerst den Akkumulator ab, - dann ~bläst man die Gasflämmchen aus~ und dreht den Gashahn zu. Wenn - man das Ausblasen unterläßt, erfolgt meistens eine Explosion, die der - Thermosäule schaden kann. - -Es schadet dem Akkumulator nicht, wenn man, bevor er gefüllt ist, die -Ladung unterbricht, ihm Strom entnimmt und später die Ladung fortsetzt -(s. jedoch Kap. 7). Auch darf man den Akkumulator aufladen, d. h. ihm -Strom zuführen, ohne daß er vorher erschöpft war. - -e) Wenn keine der vorher erwähnten Stromquellen für die Ladung der -Akkumulatoren zur Verfügung steht, so muß man seine Zuflucht zu -~galvanischen Elementen~ nehmen. - - Daniell-Elemente sind weniger geeignet, da ihre elektromotorische - Kraft nur etwas mehr als 1 Volt (1,08) und ihr innerer Widerstand - ziemlich groß ist. Man muß mindestens drei Elemente hintereinander - schalten. Gut brauchbar sind Bunsen-Elemente: Zink[84] in verdünnter - Schwefelsäure (ca. 10%), Kohle in Salpetersäure. Das Element hat eine - elektromotorische Kraft von etwa 1,8 Volt, der innere Widerstand - beträgt bei den Elementen mittlerer Größe 0,1 bis 0,2 Ohm. Zwei - Elemente genügen also für einen Akkumulator bezw. mehrere parallel - geschaltete Zellen; die Stromstärke beträgt anfänglich 5-7 Amp. Da die - Salpetersäure gesundheitsschädliche Dämpfe abgibt, so stellt man die - Elemente unter den Gasabzug oder ventiliert den Raum gut, in dem die - Ladung erfolgt. - - Die Reichspostämter benutzen für die Ladung der Akkumulatoren vielfach - Kupferelemente. Von einer Beschreibung dieses Elementes soll aber - Abstand genommen werden. - -Endlich sei noch erwähnt, daß manchmal die ~Ladung einer kleinen -Batterie aus einer großen~ empfehlenswert ist. Wenn bei der großen -Batterie Schaltzellen vorhanden sind, so entnimmt man den Strom den -beiden letzten mit dem Zellenschalter verbundenen Elementen. Durch -Einschaltung eines kleinen Widerstandes schwächt man den Strom ab. - -3. ~Die Entladung.~ Schaltet man nach beendigter Ladung die -Ladestromquelle ab, so beobachtet man an einem mit den Klemmen -verbundenen Voltmeter, daß die elektromotorische Kraft des Akkumulators -zuerst schnell und dann langsam zurückgeht. Erst nach Verlauf von 40-50 -Minuten (wenn kein nennenswerter Strom entnommen wird) bleibt die -Spannung konstant und hat dann den der Säuredichte entsprechenden Wert -von 2-2,1 Volt (siehe S. 44). Für die Abnahme der Spannung lassen sich -verschiedene Gründe angeben: (Verschwinden der Gaspolarisation?), -Abnahme der hohen Säurekonzentration in den Poren, die zuerst schnell, -dann langsam erfolgt, Eindringen von Bleisulfat in den Elektrolyten, das -eine Zunahme der Konzentration der Blei- und Bleisuperoxydionen zur -Folge hat; ferner ist zu berücksichtigen, daß ein Teil der Ladespannung, -wenn Gasentwicklung erfolgt, als Überspannung anzusehen ist, die, sobald -man den Ladestrom abschaltet, wegfällt. - -[Illustration: Fig. 12.] - -Manchmal beobachtet man, daß nach Abschaltung der Ladestromquelle noch -eine ziemlich starke, kurze Zeit dauernde Gasentwicklung erfolgt. -~Dolezalek~ erklärt diese Erscheinung folgendermaßen[85]: „Hat man durch -lange Überladung alles auf der Elektrode befindliche Sulfat zersetzt, so -bildet sich das Sulfat durch freiwillige Entladung (s. S. 106) zurück, -was sich durch eine starke, kurz dauernde Wasserstoffentwicklung bei -Öffnung des Ladestromes zu erkennen gibt‟. Es ist aber auch möglich, daß -das sogen. Nachkochen durch metallische Verunreinigungen hervorgerufen -wird (s. Selbstentladung). - -Wird der Akkumulator entladen, so sinkt die Klemmenspannung zunächst -sofort um den Betrag i · w_{i}[86], hierzu kommt in den ersten -Minuten ein ziemlich starker Spannungsabfall, der durch den -Schwefelsäureverbrauch in den Poren der aktiven Masse und in -unmittelbarster Nähe der Elektrodenoberfläche zu erklären ist (s. S. -48). Wie man ferner aus der Entladekurve, von der ein Teil in Fig. 12 -abgebildet ist, ersehen kann, bleibt die Spannung nach dem ersten Abfall -längere Zeit nahezu konstant: das Hineindiffundieren der Säure in die -Poren hält gleichen Schritt mit dem Säureverbrauch für die -Sulfatbildung. Den betreffenden Unterschied der Konzentration der -äußeren (C_{a}) und der inneren Säure (C_{i}) wollen wir δ nennen. Nun -nimmt im Laufe der Entladung C_{a} ab; soll also δ konstant bleiben, so -muß auch C_{i} abnehmen. Die Spannung muß demnach, der Abnahme der -Konzentration der äußeren Säure (wie sie mittels eines eingetauchten -Aräometers gemessen wird) entsprechend, langsam sinken. Je mehr -Elektrizität man dem Akkumulator entnimmt, um so mehr wird, wie schon -gezeigt wurde, der Säure das Eindringen in die aktive Masse erschwert. -Daher ist gegen Ende der Entladung ein schnellerer Spannungsabfall zu -erwarten (s. Fig. 13). - -Man hört mit ~der Entladung auf, wenn die Klemmenspannung bei -Stromentnahme~ 1,83 ~bis~ 1,8 ~Volt beträgt~, weil eine zu weit -getriebene Entladung dem Akkumulator schädlich ist und durch sie die -folgende Ladung erschwert wird; auch gibt ein Akkumulator, wenn er bis -zu dem angegebenen Punkte entladen ist, keine beachtenswerte -Elektrizitätsmenge mehr ab. (S. auch „Erholung‟ S. 105 und „Behandlung‟ -Kap. 7.) - - Bei Zentralen kommt noch hinzu, daß, wenn man mit der Entladespannung - noch unter 1,8 Volt heruntergehen wollte, das Konstanthalten der - Spannung in der Zentrale umständlich wäre und die Zahl der Zellen - vergrößert werden müßte. Diese nämlich ist abhängig von der - Netzspannung und der Endspannung der Zellen. Bei 110 Volt Netzspannung - sind 110/1,8 Zellen erforderlich. - -[Illustration: Fig. 13[87].] - -Wie bei der Ladung, so darf auch bei der Entladung eine ~gewisse -Stromdichte nicht überschritten werden~ -- wenigstens für längere Zeit -nicht, weil sich die Platten bei zu starker Stromentnahme (infolge der -plötzlichen und starken Volumänderungen) krümmen („werfen‟) und die -aktive Masse abbröckeln kann. Durch eine stärkere Krümmung der Platten -kann ein innerer Kurzschluß herbeigeführt werden, der, falls er nicht -bald beseitigt wird, zu einem vollständigen Ruine des Akkumulators -führt. Die ~maximale Stromstärke~ wird von den Fabriken für die -einzelnen Typen angegeben und ist meistens gleich der maximalen -Ladestromstärke (s. auch Kap. 7). - -Nur dann, wenn man mit sehr geringer Stromdichte entlädt, wird fast -alles Bleisuperoxyd in Bleisulfat umgewandelt. Wie durch ~Ayrton~, -~Lamb~ und ~Smith~ nachgewiesen wurde, bleiben selbst bei 15stündiger -Entladung noch 40% des bei Beginn der Entladung vorrätigen -Bleisuperoxydes zurück. Entsprechendes wird für den Bleischwamm gelten -(s. Kapazität). Es erklärt sich so die Tatsache, daß positive -„entladene‟ Platten noch eine braunrote Farbe haben. - - [67] Die Spannung in den verschiedenen Stadien der Ladung ist von der - Säuredichte, der Plattenkonstruktion usw., vor allem aber von der - Stromdichte abhängig. - - [68] Die Akkumulatoren für stationäre elektrische Anlagen. 4. Aufl. - 1906. - - [69] In der Formel für die elektromotorische Kraft des Akkumulators - kommt das Produkt dieser beiden Konzentrationen im Nenner vor. - - [70] E. T. Z. 1900 Nr. 14 ff. - - [71] Der einstündigen Entladung entsprechend. - - [72] Über die Anfertigung von Polreagenzpapier siehe Lüpke-Bose, - Grundzüge der Elektrochemie, 5. Aufl. S. 22. - - [73] Schaltungsschema siehe Figur 2 a. S. 26. - - [74] Man muß also, wenn man die Gleichstromspannung variieren will, - die Spannung des Wechselstromes ändern; es kann dies durch - Einschaltung von Drosselspulen oder mittels Transformatoren mit - abschaltbaren Spulen geschehen. - - [75] Siehe E. T. Z. 1900 S. 336 u. 403, 1903 S. 187 u. 395. - - [76] E. T. Z. 1909 S. 297. Siehe auch Handbuch der Elektrotechnik I, 2 - S. 362. - - [77] Nach einer anderen Erklärung bildet sich, wenn das Aluminium - Anode ist, Al₂O₃. - - [78] Näheres siehe E. T. Z. 1903, S. 432 und 527. - - [79] Von rund 2 Volt bis zu etwa 2,7 Volt. - - [80] Man kann durch Einschaltung eines Schwachstromautomats - (Minimalausschalters) in die Ladeleitung verhindern, daß die Batterie - Strom in die Dynamo schickt; jedoch kann es vorkommen, daß der Automat - nicht funktioniert. - - [81] Bei der Hauptstrommaschine würden die Feldmagnete umpolarisiert - werden. - - [82] Wenn der Akkumulator keinen Strom aufnimmt, so zeigt ein mit - seinen Klemmen verbundenes Voltmeter die Spannung der Thermosäule an. - - [83] Wenn ein Aräometer nicht benutzt wird. Gegen Ende der Ladung ist - das Ausbleiben der Gasentwicklung ein Zeichen. - - [84] Das Zink muß amalgamiert werden, weil sonst der Zinkverbrauch zu - groß ist. Der theoretische Zinkverbrauch beträgt pro Amperstunde nur - 1,2 Gramm. Je mehr Wasserstoff sich an der Zinkelektrode entwickelt, - um so mehr wird die theoretische Zinkmenge überschritten. - - [85] l. c. S. 63. - - [86] Dieser ist, wenn ~nur~ ein Voltmeter von größerem Widerstand mit - den Klemmen verbunden ist, verschwindend klein; bei dem der - dreistündigen Entladung entsprechenden Strome beträgt w_{i} · i einige - Hundertstel Volt. - - [87] Der Akkumulator wurde mit einer Stromdichte von etwa 0,6 Amp. - (bezogen auf die Positiven) entladen. -- Die Gestalt der - Entladungskurve hängt von der Stromstärke ab. Je größer die - Stromdichte ist, um so stärker ist der Spannungssturz in den ersten - Minuten und gegen Ende der Ladung. - - - - -Fünftes Kapitel. - -Die Vorgänge im ruhenden Akkumulator. - - -1. ~Erholung.~ Wir haben gesehen, daß die Klemmenspannung eines -Akkumulators bei der Entladung sinkt, weil der Elektrolyt im Innern der -Platten und dicht an der Oberfläche an Säure verarmt. Für die -Richtigkeit dieser Erklärung spricht auch diejenige Erscheinung, die man -als ~Erholung~ bezeichnet. Sie besteht darin, daß nach Verringerung der -Belastung, besonders nach Öffnung des Stromkreises, infolge des -Ausgleiches der Konzentrationsunterschiede die Spannung zuerst schnell, -dann langsam bis zu dem der augenblicklichen Dichte der ~ganzen~ Säure -entsprechenden Werte steigt. Wenn man die Erscheinung der Erholung nicht -kennt oder nicht beachtet, so kann man sich leicht über den Zustand des -Akkumulators täuschen. Aus dem Umstande, daß die elektromotorische Kraft -rund 2 Volt beträgt, darf man nicht schließen, daß noch eine große -Elektrizitätsmenge aufgespeichert sei. Dies geht aus den folgenden -Messungen hervor. - -Eine Zelle, die bei vierstündiger Entladung eine Kapazität von etwa 16 -Amperstunden hat, wurde mit 4 Amp. entladen; die anfängliche -elektromotorische Kraft betrug 2,08 Volt. Nach 1 Stunde zeigte das -Voltmeter eine Klemmenspannung von 1,95 Volt an; die Entladung wurde -unterbrochen. Als sie nach 15stündiger Ruhe fortgesetzt wurde, ergab -sich eine elektromotorische Kraft von 2,03 Volt; 3⅙ Stunden später -belief sich die Klemmenspannung auf 1,8 Volt. Nach 5stündiger Pause -zeigte das Voltmeter 2,02 Volt an; bei Entnahme von 4 Amp. fiel die -Spannung in 5 Minuten auf 1,83 Volt. Aus diesen Beobachtungen ergibt -sich wohl von selbst, was man zu tun hat, wenn man sich ein Urteil über -die Frage bilden will, wann man mit der Stromentnahme aufhören muß. - -2. ~Selbstentladung.~ Läßt man einen geladenen Akkumulator unbenutzt -stehen, so nimmt seine Kapazität von Tag zu Tag ab, und die Säuredichte -sinkt allmählich. Die langsam infolge chemischer Prozesse, die sich in -der offenen Zelle abspielen, erfolgende Abnahme der Nutzkapazität -bezeichnet man als Selbstentladung. - - Hierzu gehört also nicht die durch mangelhafte Isolation verursachte - Entladung, die besonders bei Batterien für hohe Spannungen eine Rolle - spielt. Der Vorgang ist folgender: Von der positiven Klemme der - Batterie fließt ein schwacher Strom durch die Säure über die feuchte - Wand der Zelle usw. zum negativen Pole der Batterie. Außerdem können - Ströme von dem positiven Pole einer Zelle über die Glaswand nach dem - negativen Pole ~derselben~ Zelle übergehen. - -Die Umwandlung von Blei und Bleisuperoxyd in Bleisulfat, die erfolgt, -ohne daß der Akkumulator Strom abgibt, kann durch verschiedene -Erscheinungen verursacht werden. - -a) Die Säure absorbiert Sauerstoff der Luft; gelangt dieser an die -Bleischwammelektrode, so wird Blei oxydiert. Da die Absorption und -Diffusion[88] des Sauerstoffs nur sehr langsam erfolgen, so ist die -betreffende Kapazitätsabnahme nur gering. - -b) Bei der Ladung sättigt sich die Säure in der Nähe der Elektroden und -in den Poren der aktiven Masse mit Sauerstoff bezw. mit Wasserstoff, -auch werden von den Elektroden selbst geringe Mengen dieser Gase -aufgenommen (Okklusion). Nach beendigter Ladung diffundiert der -Wasserstoff langsam in die Säure hinein und gelangt nach der positiven -Elektrode, wo er reduzierend wirkt; der Sauerstoff wandert langsam nach -der Bleiplatte, wo er Oxydation hervorruft. Auch die diesen Vorgängen -entsprechenden Verluste spielen keine große Rolle. - -c) Größere Elektrizitätsverluste können durch die Anwesenheit von -fremden Metallen in der Schwefelsäure verursacht werden. Jedoch sind -keineswegs alle Metalle zu den schädlichen zu rechnen, sondern nur -diejenigen, die mit Blei in verdünnter Schwefelsäure ein galvanisches -Element bilden, bei dem Blei der negative Pol ist. Wir werden hierauf -unten noch näher eingehen. Einstweilen nehmen wir an, daß ein -schädliches Metall, etwa Platin, in der Akkumulatorsäure enthalten sei. -Durch Blei wird das Platin ausgefällt, es schlägt sich also Platin auf -der Bleischwammelektrode nieder (wie sich Kupfer auf einem Zinkstabe -niederschlägt, den man in die Lösung eines Kupfersalzes eintaucht). Es -sei jetzt an folgenden Versuch erinnert: Befinden sich ein Zinkstab und -eine Kupferplatte in verdünnter Schwefelsäure, und neigt man die Metalle -so, daß sie sich innerhalb der Säure berühren, so beobachtet man an der -Berührungsstelle lebhafte Gasentwickelung (Wasserstoff). Die Anordnung -bildet ein innerhalb der Säure kurz geschlossenes Voltasches Element; -der Strom geht vom Kupfer durch die Berührungsstelle zum Zink, durch die -Säure zum Kupfer zurück. In unserem Akkumulator befinden sich nun -außerordentlich viele, sehr kleine kurzgeschlossene Elemente, jedes -Platinteilchen bildet mit seiner Unterlage ein solches. Die Vorgänge -sind ähnliche wie diejenigen, die sich in dem Voltaschen Elemente -abspielen (s. S. 22) und können durch die Gleichung dargestellt werden - - Pb + H₂SO₄ = PbSO₄ + H₂. - -Dieses gilt auch, wenn sich ein anderes schädliches Metall in dem -Elektrolyten befindet. - -Die eben erwähnten sehr kleinen Elemente nennt man ~Lokalelemente~ und -die entsprechenden chemischen Vorgänge ~Lokalaktion~. Da infolge der -Lokalaktion Blei in Bleisulfat umgewandelt wird, so muß die Kapazität -der negativen Platte abnehmen. - -Je leichter die Wasserstoffentwicklung an einem der schädlichen Metalle -erfolgt, um so stärker werden die Lokalströme, um so schneller erfolgt -die Selbstentladung. Wenn man daher die Metalle nach dem Grade ihrer -Schädlichkeit in eine Reihe ordnen will, so muß man die „Überspannung‟ -mit berücksichtigen (s. S. 13). Beträgt diese bei einem Metalle -mehr als die elektromotorische Kraft der Kombination Blei | -verdünnte Schwefelsäure | Wasserstoffelektrode, so kann eine -Wasserstoffentwickelung, falls sich das betreffende Metall in der Säure -bezw. auf der Bleischwammelektrode befindet, nicht erfolgen und demnach -auch keine Umwandlung von Blei in Bleisulfat. Nach ~Dolezalek~[89] sind -folgende Metalle dem Akkumulator gefährlich: Platin, Gold, Eisen, -Silber, Nickel, Kupfer, und zwar Platin am meisten, Kupfer am -wenigsten[90]. - - Daß ~Platin~ dem Akkumulator schädlich ist, zeigt ein einfacher - Versuch: Berührt man mit einem Platindrahte oder mit einem Platinblech - innerhalb der Säure eine negative Platte, so beobachtet man lebhafte - Gasentwickelung. -- Spuren von Platin können in die Schwefelsäure - gelangen, wenn dieselbe in einem Platinkessel eingedampft wird. Es - genügen ganz minimale Mengen von Platin, den Akkumulator unbrauchbar - zu machen; die anderen Metalle sollen, wenn sie nur in sehr geringer - Menge zugegen sind, im Laufe der Zeit am Schädlichkeit abnehmen, - wahrscheinlich, weil sie sich mit dem Blei langsam legieren. - -~Kupfer~ kann besonders bei offenen Zellen, die im Laboratorium benutzt -werden, in die Säure gelangen, wenn Messingklemmschrauben oder -Kupferdrähte an die Pole befestigt werden. Durch ~Säuredämpfe~ -oder durch Säurepartikeln, die bei der Ladung von den entweichenden -Gasblasen mitgerissen werden, vielleicht auch durch „kriechende‟ Säure, -wird das Kupfer angegriffen, es bildet sich ein Kupfersalz, von dem -sich Teilchen loslösen usw. -- Stehen Akkumulatoren in der Nähe einer -Dynamomaschine, bei der Kupferbürsten benutzt werden, so können kleine -Kupferpartikelchen in die Säure fliegen. - - Eine bis jetzt noch nicht aufgeklärte Beobachtung hat ~Kugel~[91] - gemacht. Er fand, daß, wenn mehrere Metalle, die für sich allein nur - in geringem Grade schädlich sind, gleichzeitig in der Säure zugegen - sind, eine stärkere Selbstentladung erfolgt. - -Durch Untersuchungen von ~Kayser~ und ~Ost~ soll nachgewiesen sein, daß -Kupfer, wenn es allein in der Säure vorkommt, eine Entladung nicht -hervorruft; jedoch fand auch dann Selbstentladung statt, sobald ein -zweites geeignetes Metall in der Säure war (s. ~Hoppe~, Die -Akkumulatoren für Elektrizität). -- Verfasser weiß aus Erfahrung, daß -Zellen, in die Kupferstaub geraten war, vollständig verdorben wurden. - -Wenn durch metallische Verunreinigungen eine Selbstentladung verursacht -wird, so gasen die Negativen nach Unterbrechung des Ladestromes noch -längere Zeit nach und die Dichtigkeit der Akkumulatorsäure nimmt ab, -dementsprechend sinkt die elektromotorische Kraft langsam. - -d) Ferner ist die Anwesenheit ~schädlicher Metalle in den Platten~ -selbst zu erwähnen. Hier gelten dieselben Betrachtungen wie eben. -Natürlich kann eine metallische Verunreinigung nur dann Selbstentladung -verursachen, wenn das betreffende Metall mit der Säure in Berührung -kommt. - -e) ~Lokalaktion an der positiven Platte.~ Dort findet eine Berührung -zwischen Blei- und Bleisuperoxydteilchen statt, die mit hinzutretender -Schwefelsäure Lokalelemente bilden. Die Lokalaktion besteht in der -Umwandlung von Bleisuperoxyd der aktiven Masse und Blei des Trägers in -Bleisulfat, bewirkt also eine Abnahme der augenblicklichen Kapazität der -positiven Platten (und eine Zunahme der späteren, s. Formation). - - Auch an der negativen Elektrode sollen nach ~Darrieus~ Lokalaktionen - stattfinden (?), da Hartblei (s. S. 118) und Bleischwamm in verdünnter - Schwefelsäure ein galvanisches Element von 0,520 Volt (nach ~Sieg~ von - 0,225 Volt) bilden. - -f) Endlich kann eine ganz schwache Selbstentladung durch -Verunreinigungen der Säure herbeigeführt werden, die leicht oxydierbar -sind und in zwei verschiedenen Oxydationsstufen vorkommen, z. B. Eisen, -das Ferro- und Ferrisalze bildet. Sie nehmen an der positiven Elektrode -Sauerstoff auf, diffundieren als sauerstoffreiche Verbindungen nach der -negativen Elektrode hin, geben dort Sauerstoff ab, gelangen durch -Diffusion wieder nach der positiven Platte usw. - -Die Geschwindigkeit, mit der die Selbstentladung erfolgt, wächst mit der -Konzentration der Säure, weil die elektromotorischen Kräfte der -verschiedenen in Betracht kommenden Elemente mit der Säuredichte -ansteigen. Dies gilt besonders von der Kombination Blei | verdünnte -Schwefelsäure | Wasserstoff. Je größer die elektromotorische Kraft -dieser Kette ist, je mehr sie also die „Überspannung‟ übertrifft, um so -leichter erfolgt Wasserstoffentwicklung. Ist die Säure stark -konzentriert, so kann sich auch chemisch reines Blei unter lebhafter -Wasserstoffentwicklung auflösen (es gehen Bleiionen in die Lösung und -Wasserstoffionen aus der Lösung auf das Blei, wo sie ihre Ladung abgeben -und als Blasen entweichen[92]). - -Über die Größe der Stromverluste infolge der Selbstentladung[93] können -genaue Angaben nicht gemacht werden; sie hängt eben von Zufälligkeiten -ab, vor allem von der Reinheit der Materialien und von der Konstruktion -der Platten. Für positive Platten wird sie im allgemeinen eine andere -sein als für negative. Ferner dürfte die Selbstentladung um so größer -sein, je weiter die sogen. Oberflächenentwicklung getrieben ist, lehrt -doch die Erfahrung, daß für Großoberflächenplatten der Verlust durch -freiwillige Entladung in einer bestimmten Zeit bedeutend größer ist als -für sogen. Masseplatten[94]. In den ersten Tagen nach der Ladung ist -der prozentuale Verlust größer als später. - - Da die Selbstentladung mit einem Verbrauch von Schwefelsäure Verbunden - ist, so kann man sich mit Hilfe des Aräometers ein angenähertes Bild - von dem Zustande der Zelle verschaffen. - -Auf die Schlüsse, die sich aus der Selbstentladung für die Praxis -ergeben, wird später näher eingegangen (s. Kap. 7). Hier sei nur darauf -aufmerksam gemacht, daß man bei der Wahl des Systems in manchen Fällen -auf die Selbstentladung Rücksicht nehmen muß. Je größer die -Selbstentladung ist, um so größer ist die Gefahr, daß der Akkumulator -Schaden leidet, wie sich aus dem folgenden Abschnitte ergibt. - -~Sulfatierung.~ Läßt man einen Akkumulator in entladenem Zustande -längere Zeit stehen, so beobachtet man, daß sich auf der Oberfläche der -Platten weiße Flecke bilden, die im Laufe der Zeit an Größe zunehmen; -schließlich (nach mehreren Wochen) ist die ganze Oberfläche mit einer -weißen Schicht bedeckt. Wie die chemische Analyse zeigt, besteht die -Masse, die sich auf den Platten ansetzt, aus reinem Bleisulfat (daher -der Name Sulfatierung oder Sulfatisierung). Diese Sulfatschicht -unterscheidet sich von dem bei jeder Entladung entstehenden Bleisulfat -dadurch, daß sie aus größeren Krystallen besteht, während letzteres -einen mit Schwefelsäure überall durchtränkten Überzug bildet. Wir müssen -also schließen, daß die Sulfatierung auf eine ~physikalische~ -Veränderung des schwefelsauren Bleies zurückzuführen ist. ~Elbs~[95] -gibt folgende Erklärung: Die Löslichkeit des Bleisulfates in verdünnter -Schwefelsäure nimmt mit der Temperatur schnell zu. Nun unterliegt die -Temperatur des Raumes, in dem sich der Akkumulator befindet und daher -auch die Temperatur der Säure forwährenden Schwankungen. Steigt die -Temperatur (am Tage), so geht neues, an den Elektroden vorrätiges -Bleisulfat in Lösung, sinkt die Temperatur (abends, in der Nacht), so -scheidet sich ein Teil des gelösten Sulfates in kristallinischem -Zustande ab. Bei dem folgenden Temperaturanstieg geht wieder Sulfat in -Lösung. Da sich aber das strukturlose, bei der vorhergegangenen -Entladung entstandene Salz leichter löst, so nehmen die schon -vorhandenen Kristallnadeln nur wenig an Größe ab. Bei der nächsten -Abkühlung geht wieder Bleisulfat aus der Lösung heraus und setzt sich an -die vorhandenen Kristallnadeln an. So wachsen also die Kristalle im -Laufe der Zeit auf Kosten des bei der Entladung entstandenen Sulfates, -bis schließlich die ganze Oberfläche mit einer zusammenhängenden, für -Flüssigkeiten fast undurchdringlichen Kruste von kristallinischem -Bleisulfat bedeckt ist. - - Für die Richtigkeit dieser Erklärung dürfte der folgende vom Verfasser - angestellte Versuch sprechen: In verdünnte Schwefelsäure, in der sich - fein verteiltes Bleisulfat befand, wurde eine Bleiplatte eingetaucht. - Nach Verlauf von mehreren Wochen war die Bleiplatte zum Teil mit einer - ziemlich dicken, weißen Kruste bedeckt. Besonders stark hatte sich das - Bleisulfat an den Teilen der Platte angesetzt, die sich in der Nähe - der Oberfläche der Säure befanden. Dort nimmt die Säure am leichtesten - die Temperatur der Umgebung an (das Glasgefäß war luftdicht - abgeschlossen). - -Schließt man eine Zelle, in der stärkere Sulfatierung erfolgt ist, an -ein Voltmeter an, so findet man, daß ihre elektromotorische Kraft nahezu -Null ist. Die folgende Ladung ist mit erheblichen Schwierigkeiten -verbunden, weil der innere Widerstand der Zelle ein ungewöhnlich großer -ist. Die starke Zunahme des inneren Widerstandes ist darauf -zurückzuführen, daß die Sulfatschichten dem Strome das Eindringen in den -Elektrolyten erschweren[96]. Nimmt die Zelle Strom auf, so sinkt der -innere Widerstand einige Zeit nach Beginn der Ladung langsam. - -Die Erfahrung lehrt, daß bei einem Akkumulator mit sulfatierten Platten -die Ladung mit Ruhepausen von Vorteil ist; man lädt also kurze Zeit, -schaltet die Stromquelle ab, setzt nach einiger Zeit die Ladung fort -usw. Ferner soll sich die schädliche Sulfatschicht auf den Positiven -leichter entfernen lassen als auf den Negativen. - - Meines Erachtens ist die Erklärung für diese Erfahrungstatsachen - folgende: 1. Das kristallinische Bleisulfat löst sich nur sehr langsam - in der Säure; daher wird, auch wenn mit kleiner Stromdichte geladen - wird, bei Stromzufuhr mehr Bleisulfat herauselektrolysiert als sich - löst, so daß die Säure bald an Bleisulfat verarmt. Während der - Ruhepause sättigt sich die Säure mit Bleisulfat usw. 2. Die Dichte der - Säure unmittelbar an der Oberfläche der positiven Elektrode nimmt bei - der Ladung stärker zu als an der negativen Platte, da an ersterer nach - der Sulfattheorie Wasser verbraucht und Schwefelsäure gebildet wird. - Die Löslichkeit des Bleisulfates wächst mit der Säuredichte - schnell[97]. Man darf daher wohl den Schluß ziehen, daß das - kristallinische Bleisulfat der positiven Platten leichter und - schneller in Lösung geht, als dasjenige an der negativen Elektrode. - -Die Neigung zur Sulfatierung wächst mit der Säuredichte, weil die -Löslichkeit des Bleisulfates -- für das hier in Betracht kommende -Intervall -- mit dem Schwefelsäuregehalt steigt (s. Fußnote) und damit -die Geschwindigkeit einer Umkristallisierung. - -Auf den ersten Blick hat es den Anschein, als ob bei einer Zelle, die -ein Glied einer Akkumulatorenbatterie ist, Sulfatisierung ausgeschlossen -sei, wenn die Batterie nach Vorschrift geladen und entladen wird. Dies -ist aber keineswegs der Fall. Nehmen wir nämlich an, daß bei einer -Zelle, die wir mit Z bezeichnen wollen, eine leitende Verbindung -zwischen einer positiven und einer negativen Platte entstanden sei, etwa -durch herabgefallene aktive Masse. Es fließt dann fortwährend Strom von -der positiven Elektrode durch den Kurzschluß nach der negativen Platte, -so daß die Zelle viel früher entladen ist als die anderen Elemente. -Erfolgt die nächste Ladung, so fließt der Ladestrom in Z zum Teil durch -die Säure, zum größten Teil durch den metallischen Leiter in der Zelle, -und dieser letztere Teil kommt für die Elektrolyse nicht in Betracht. -Sind also die übrigen Zellen vollgeladen, so ist Z noch weit zurück. -Nach der Ladung entlädt sich die betreffende Zelle ziemlich schnell. Sie -befindet sich also fast immer im entladenen Zustande, wodurch die -Sulfatierung begünstigt wird. Denn je mehr fein verteiltes Sulfat -vorhanden ist, um so leichter kann sich kristallisiertes Sulfat bilden. - -Ferner kann Sulfatierung erfolgen, wenn die Kapazität eines Elementes -aus irgend einem Grunde kleiner ist als diejenige anderer, mit denen es -in Serie geschaltet ist, wenn z. B. ein altes Element mit einem neuen -zusammenarbeitet. Die betreffende Zelle wird dann bei jeder Entladung -der Batterie zu stark beansprucht; die Ladung wird erschwert, die -zwischen Ladung und Entladung liegende Zeit ist bei ihr größer als bei -den übrigen Zellen. - -Die Erfahrung lehrt, daß die Sulfatierung schneller erfolgt, wenn die -Entladung zu weit getrieben wird. Sie ist oft mit einer Krümmung der -Platten verbunden, durch die ein innerer Kurzschluß herbeigeführt werden -kann. - - [88] Die Absorption erfolgt an der Oberfläche der Säure, durch - Diffusion gelangt der absorbierte Sauerstoff in das Innere. - - [89] ~Dolezalek~ l. c. S. 75. - - [90] Verbindet man eine frisch geladene Bleischwammelektrode und ein - Kupferblech (beide in verdünnter Schwefelsäure) mit einem - empfindlichen Voltmeter, so findet man, daß die Spannung schnell auf - einige Millivolt fällt. - - [91] Elektrot. Ztschr. 1892 S. 12. - - [92] Die Säure muß, wenn dieses geschehen soll, eine so große Dichte - haben, daß die elektromotorische Kraft der vorhin erwähnten Kette - gleich der Überspannung für Blei ist, nämlich 0,64 Volt. - - [93] Nach ~Bein~ (Elemente und Akkumulatoren, Leipzig 1908, S. 184) - soll die Selbstentladung in Schwefelsäure von 1,8 Dichte nach 2 Tagen - bis zu 14% betragen. Unter normalen Verhältnissen dürfte jedoch der - Verlust durch Selbstentladung viel geringer sein. Auch ~Dolezalek~ - gibt kleinere Zahlen an. - - [94] Man vergl. die Untersuchungen von ~Albrecht~, E. T. Z. 1907, - Seite 539. - - [95] ~Elbs~, Die Akkumulatoren, 4. Aufl., S. 46. - - [96] Daß der Elektrolyt, wie vielfach behauptet wird, stark an Säure - verarmt, konnte der Verfasser nicht finden. - - [97] Aus dem vorhandenen Beobachtungsmaterial muß man schließen, daß - die Löslichkeit des Bleisulfates mit der Säuredichte zuerst abnimmt, - bei etwa 1,22 ein Minimum hat und dann stark steigt. - - - - -Sechstes Kapitel. - -Plattenkonstruktionen, Herstellung der Platten, Formation. - - -I. ~Plattenkonstruktionen~. ~Planté~, den wir bereits als den Erfinder -des Bleiakkumulators kennen lernten (s. S. 34), benutzte für seine -Untersuchungen glatte Bleiplatten; von diesen wurden zwei -aufeinandergelegt und durch Kautschukbänder voneinander getrennt; das -Ganze wurde zu einer Spirale aufgewickelt. Bei solchen glatten Platten -eine auch nur einigermaßen befriedigende Kapazität zu erhalten, war sehr -umständlich (s. Formation). - -Um die Kapazität zu erhöhen und die Formationszeit zu verringern, trug -~Faure~[98], dessen Deutsches Patent vom 8. Februar 1881 datiert ist, -auf glatte Bleiplatten einen aus Bleioxyden (Bleiglätte, Mennige) und -verdünnter Schwefelsäure hergestellten dicken Brei auf. Die Schicht -wurde durch einen Überzug aus poröser Masse (Filz oder dergl.) -festgehalten. - -Eine bedeutende Vereinfachung und Verbesserung des Faureschen Verfahrens -erzielte ~Volckmar~ -- Patent vom 9. Dez. 1881 -- dadurch, daß er als -Träger der aktiven Masse Bleiplatten benutzte, in denen sich zahlreiche -rechteckige oder sonstwie geformte Löcher befanden. Die Rippen -verjüngten sich nach außen. Die Füllmasse, die sogenannte Paste, wurde -als Brei in die Löcher eingetragen; sie bestand aus Bleipulver oder -Bleimehl, das mit verdünnter Schwefelsäure angerührt wurde. Volckmar ist -also der Erfinder der sogenannten ~Gitterplatten~, die man auch wohl -~gepastete~ oder ~pastierte~ Platten oder Masseplatten nennt. - -~De Kabath~ suchte bei möglichst kleinem Gewichte der Platten, ohne -Bleisalze zu verwenden, eine möglichst große Oberfläche zu erzielen. Er -stellte wellenförmige Bleistreifen von 1 cm Breite her, die in -Bleischeiden geschoben wurden. - -[Illustration: Fig. 14.] - -In der Folgezeit wurden zahlreiche Gitterkonstruktionen erfunden; nomen -eorum est legio. Die meisten waren aber Eintagsfliegen, sie konnten sich -im Betriebe nicht bewähren, vor allem weil dem Umstande nicht genügend -Rechnung getragen war, daß die kleinen Kuchen oder Pastillen beim Laden -und Entladen ihr Volumen ändern, so daß der Zusammenhang zwischen der -aktiven Masse und den Gitterstäben mangelhaft wurde oder die Pastillen -rissen und herausfielen. Um diese Übelstände zu beseitigen, konstruierte -~Correns~ (1888) eine Platte, die man als ~Doppelgitter~ bezeichnen -kann. Wie man sieht, haben die Stege _a b_ dreieckigen Querschnitt, und -es liegen je zwei, etwas gegeneinander versetzt, übereinander (siehe -Fig. 14). Die Pastillen sind in der Mitte infolgedessen etwas -eingeschnürt. Die zwischen je zwei Querbalken _c d_ liegenden Felder -stehen im Zusammenhang. Das ~Corrensgitter~ wird von den Akkumulatoren- -und Elektrizitätswerken vorm. W. A. ~Boese~ in Berlin hergestellt. Auf -die Entwicklung der Großoberflächenplatten werden wir noch zurückkommen. -Wir wenden uns jetzt zu den neueren Konstruktionen; es sollen aber nur -die bekanntesten deutschen Fabrikate berücksichtigt werden. Man kann die -Akkumulatorenplatten nach verschiedenen Gesichtspunkten einteilen. 1. -Mit Rücksicht auf die Verwendung, die der Akkumulator finden soll, kann -man unterscheiden zwischen Platten für stationäre und transportable -Elemente. Bei ersteren kommt es auf das Gewicht weniger an, verlangt -wird eine große Lebensdauer. Diese ist, wie wir noch sehen werden, bei -dicken Platten größer als bei dünnen. Auch die Beanspruchung im Betriebe -wird bei der Konstruktion bezw. bei der Wahl der Platten eine Rolle -spielen; für Pufferbetrieb wird man eine andere Platte wählen als für -Telephonbetrieb. - -2. Man kann ferner inbezug auf das Material unterscheiden zwischen -Platten aus reinem Blei oder einer Legierung von Blei und Antimon, die -man Hartblei nennt, und Platten aus Blei und Bleisalzen (Paste): -zwischen Großoberflächen- oder Planté-Platten und Masse- oder -Faure-Platten. Mit Rücksicht auf den Träger der wirksamen Masse[99] kann -man einteilen in ~Kernplatten~, d. h. Platten, die in der Mittelebene -einen zusammenhängenden Kern haben, auf dem sich die Rippen oder dergl. -erheben, in ~Einfachgitterplatten~ und ~Doppelgitter~. - -~Großoberflächenplatten.~ Die große Oberfläche erzielt man dadurch, daß -man die Platte mit zahlreichen Rippen, Zähnen, Leisten u. dergl. -versieht. Die von der Säure benetzte, daher der Stromwirkung zugängliche -Oberfläche nennt man die ~abgewickelte~ Oberfläche. - -Hat eine Platte von 1 dm Länge und 1 dm Breite, deren ~projizierte~ -Oberfläche also 1 dm² beträgt, eine abgewickelte Oberfläche von 4 dm², -so sagt man, daß die ~Oberflächenentwickelung~ eine vierfache sei. Die -Großoberflächenplatte wurde besonders von den Gebrüdern ~Tudor~ -(~Akkumulatorenfabrik Aktien-Gesellschaft~, ~Hagen~ i. W.) ausgebildet. - - Anfänglich wurden die Platten (positive), die auf beiden Seiten mit - relativ hohen, dünnen Rippen versehen waren, bis sie die volle - Kapazität erreicht hatten, nach Planté formiert (s. S. 127). Dieses - Verfahren war langwierig und sehr kostspielig. Daher wurden die - Platten später zuerst eine Zeitlang nach Planté formiert; dann wurden - die Zwischenräume zwischen den Rippen mit einem Brei aus Mennige und - Schwefelsäure ausgefüllt. Schließlich wurden die hergerichteten - Platten mehrmals geladen und entladen, wodurch die Mennige in - Bleisuperoxyd umgewandelt wurde. Die aufgetragene Masse diente - vorläufig als aktives Material. Je nach der Beanspruchung der Platte - inbezug auf Höhe des Lade- und Entladestromes, sowie der entnommenen - Elektrizitätsmenge (Kapazitätsbeanspruchung) wird ~jede künstlich auf - eine positive Bleiplatte aufgetragene Masse früher oder später weich~ - und fällt auf den Boden. Bei den ~Tudor~-Platten war nach 1 bis 2 - Jahren die aufgetragene Masse herausgespült. In dieser Zeit aber hatte - sich die Bleisuperoxydschicht um so viel weiter aus dem Bleikern - entwickelt, daß die Dicke derselben einschließlich der Reste der - aufgetragenen Masse, die fest mit der Schicht verwachsen waren, - nunmehr genügte, der Platte die von ihr verlangte Kapazität zu geben; - die Platte war dann eine reine ~Planté~-Platte. - - Da die Platte nach einiger Betriebsdauer als reine - Großoberflächenplatte arbeiten sollte, so mußte natürlich, damit die - Leistung pro Kilogramm aufzuwendenden Bleimaterials möglichst groß - wurde, die Zahl der auf der Flächeneinheit des Kerns stehenden Rippen - möglichst gesteigert und die Höhe der Rippen möglichst groß gewählt - werden, die Nuten wurden also eng und tief gemacht. Es zeigte sich - nun, daß dann die in die Rillen eingetragene Masse nicht mehr schnell - genug von der Säure durchdrungen wurde. Infolgedessen blieb von einer - gewissen Steigerung der Oberflächenentwickelung ab die gewünschte - Mehrleistung aus. Um diesen Übelstand zu beheben, suchte man das - Eintragen der aktiven Masse ganz zu vermeiden. Die Platte wird jetzt - unter Benutzung eines neuen Verfahrens in der Fabrik so weit formiert, - daß sie von vornherein die gewünschte Kapazität hat. Da keine Masse - eingetragen wird, so kann die Oberflächenentwickelung wesentlich - vergrößert werden. - -[Illustration: Fig. 15.] - -Fig. 15 zeigt den Querschnitt und die bildliche Darstellung der für -Beleuchtungsbatterien zur Verwendung kommenden positiven Platten der -~Akkumulatoren-Fabrik Aktien-Gesellschaft~. Die Platte wird ohne Kern -hergestellt. _a b_ sind die Längsrippen; sie werden durch Stege _c d_ -zusammengehalten. Die Oberflächenentwickelung ist eine achtfache. Die -Rippen sind vollständig frei, so daß die Säure gut zirkulieren kann. - - Eine zu weit getriebene Oberflächenentwickelung hat, wenn man den - Akkumulator, wie es beim Pufferbetrieb der Fall ist, mit relativ hoher - Stromdichte beansprucht, einen Nachteil, nämlich, daß der - Spannungsabfall in der Säure wächst. Es geht dies aus folgendem - Beispiele hervor. Von einer positiven Platte mit achtfacher - Oberflächenentwickelung denken wir uns ein Stück von 1 dm Länge und 1 - dm Breite als positive Platte in einem Akkumulator; die negative - Platte sei gerade so groß; der Abstand der Oberflächen der beiden - Platten werde der Einfachheit halber zu 1 cm angenommen; der - spezifische Widerstand der Säure sei ρ Ohm (bezogen auf 1 cm³). Der - Widerstand, den der Strom in der Säure zu überwinden hat, ist gleich - ρ[100]/100 Ohm. Die einer ~glatten~ Oberfläche von 1 dm² - entsprechende Stromstärke sei i, dann wäre also, wenn der Akkumulator - der Oberflächenentwickelung entsprechend ausgenutzt wird, die in - Rechnung zu setzende Stromstärke 8i und der durch den Widerstand in - der Säure bedingte Spannungsabfall E₁ = 8i.ρ/100 Volt. Bei einem - zweiten Akkumulator sei die Oberflächenentwickelung der positiven - Platte eine einfache (glatte Oberfläche ohne Rippen). Soll dieser - zweite Akkumulator dasselbe leisten wie der erste, so muß seine - positive Platte 8 mal größer sein; bei sonst gleichen Umständen - (gleiche Säuredichte, gleiche Größe der negativen Platte wie eben) - wäre dann der Widerstand in der Säure ¼.ρ/100 (nicht ρ/(8×100), da der - mittlere Säurequerschnitt 4 dm² ist) und der Spannungsverlust in der - Säure E₂ = 8i.¼.ρ/100 = ¼E₁. Wir gelangen also zu dem Resultate, daß - eine ~der Oberflächenentwickelung entsprechende Beanspruchung einen - größeren Spannungsabfall zur Folge~ hat. Dies ist besonders bei - Pufferbatterien zu berücksichtigen. - -Die genannte Firma verwendet für Pufferbatterien eine mit der in Fig. 15 -abgebildeten inbezug auf die Konstruktion übereinstimmende Platte, die -aber nur eine 6fache Oberflächenentwickelung hat. - -~Großoberflächenplatten~ sollen sich, wie von Fachleuten oft -behauptet wird, ~nicht als negative~ Platten eignen, da der Bleischwamm -keinen festen Halt habe, während das Bleisuperoxyd fest mit dem -Bleikern verwächst. In neuerer Zeit jedoch versucht man die -Großoberflächenplatten auch als negative Elektroden auszubilden. - -~Gitterplatten~ oder pastierte Platten werden als positive und negative -Elektroden benutzt. Die Gitter dienen hier dazu, die eingetragene Masse -(Füllmasse) festzuhalten und den Strom den einzelnen Teilen zuzuführen. -Sie müssen genügende mechanische Festigkeit haben. Die Stromverteilung -muß eine möglichst gleichmäßige sein, weil sonst eine ungleichmäßige, -den chemischen Umsatz begleitende Volumänderung erfolgt und eine -Deformation der Platte (Krümmung), sowie schlechter Kontakt zwischen -Träger und aktiver Masse eintreten kann. Je kürzer die Entladedauer, um -so enger sollte daß Gitter sein. - -Die Paste[101] wird hergestellt aus Mennige (Pb₃O₄, rot) oder Bleiglätte -(Bleioxyd, PbO, gelblichrot) oder aus einer Mischung der beiden Oxyde. -Für die Anode wird, um die Formation zu beschleunigen, Mennige, für die -Kathode Bleiglätte bevorzugt. Auch Bleimehl kann verwendet werden. - -Als Bindemittel verwendet man verdünnte Schwefelsäure, -Glyzerinschwefelsäure, d. h. eine Mischung aus Schwefelsäure und -Glyzerin, oder Magnesiumsulfatlösung und noch andere Flüssigkeiten. Die -Schwefelsäure soll frei sein von Arsenverbindungen, Chlor, Salpetersäure -und salpetriger Säure. Wie die Säure auf diese Verunreinigungen hin -untersucht wird, werden wir später sehen. Die Paste wird nach -sorgfältiger Reinigung der Träger (Gitter) mittels eines eichenen -Spatels eingetragen (Schmieren); die pastierten Platten werden in einem -mäßig warmen Raume getrocknet. Es verbindet sich die Schwefelsäure -während des Trocknens mit Bleiglätte allmählich zu Bleisulfat und die -Paste erhärtet infolge Verdunstung des Wassers, die Masse wird -porös[102]. Die Mennige verbindet sich langsamer mit der Schwefelsäure, -wahrscheinlich unter Bildung von Bleisulfat und Abscheidung von -Bleisuperoxyd nach der Gleichung: - - Pb₃O₄ + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O + PbO₂. - -[Illustration: Fig. 16.] - -Der Bleischwamm der negativen Platten hat die Neigung, im Laufe der -Jahre zusammenzusintern, eine Erscheinung, die man als ~Schrumpfen~ oder -~Verbleiung~ bezeichnet. Die Masse verliert ihre lockere Struktur, und -die Folge ist, daß die Kapazität der negativen Platten allmählich -zurückgeht. Um diesem Übelstande zu steuern, mischt man der Masse -gewisse Stoffe bei, durch die das Zusammenbacken der Bleischwammteilchen -verhindert wird, wie Kaolin, Glaspulver usw. Wird soviel von diesem -indifferenten Material beigemischt, daß das Sintern dauernd unmöglich -ist, so macht sich ein anderer Übelstand bemerkbar; es tritt nämlich ein -so starkes Quellen ein, daß die Masse aus dem gewöhnlichen, alten Gitter -herauswächst und als unwirksam zu Boden fallen kann. Dieses kann nun -dadurch verhütet werden, daß man die Gitterplatte auf beiden Seiten mit -einer perforierten Scheibe aus Hartgummi oder dergl. bedeckt. Die -~Akkumul.-Fabrik, Akt.-Gesellsch.~ hüllt ihre aus einem weitmaschigen -Gitter bestehende negative Platte in ein mit zahlreichen kleinen Löchern -versehenes Bleiblech ein (s. Fig. 16). Das Gitter besteht aus zwei -Hälften; jedes wird auf ein perforiertes Blech aufgegossen. Die -Massepastillen werden besonders hergestellt und in die eine Gitterhälfte -eingelegt. Dann wird die andere Plattenhälfte aufgelegt, und die beiden -Hälften werden fest miteinander verbunden. Da die Pastillen also -gleichsam in kleinen Kästchen mit perforierter Grund- und Deckfläche -liegen, so wird die Platte als ~Kastenplatte~ bezeichnet. - -[Illustration: Fig. 17.] - -~Gottfried Hagen~ in Cöln-Kalk verwendet als Anoden und Kathoden -Gitterplatten. Dies hat, wie die Firma sagt, den Vorzug, daß die -Kapazität beider Plattenarten gänzlich unabhängig von der Sorgfalt bei -der Formation wird und stets die gleiche bleiben muß, da alle Platten -derselben Art und Größe stets die gleiche Menge wirksamer Bleisalze -enthalten. Die viereckigen Gitteröffnungen werden bei den für stationäre -Batterien bestimmten Platten um so enger gemacht, je kürzer die -Entladedauer oder je größer die Stromdichte bei der Entladung sein soll. -Für starke Beanspruchung wird das in Fig. 17 abgebildete Gitter -benutzt. Es gleicht in seinem Aussehen den Großoberflächenplatten; es -wird aus reinstem Weichblei hergestellt, während die Gitter mit großen -Öffnungen (Elektromobile), um genügende mechanische Festigkeit zu -erzielen, aus Hartblei (Blei und Antimon) gegossen werden. - -[Illustration: Fig. 18.] - -In neuerer Zeit hat die Firma die negativen Platten wesentlich geändert, -und zwar beziehen sich die Änderungen sowohl auf das Gitter wie auf die -Zusammensetzung der Masse. Die Beschaffenheit des neuen Gitters ist aus -den Figuren 18 und 19 zu ersehen; die letztere zeigt einen Ausschnitt in -größerem Maßstabe. Es sind, wie man sieht, außer den nach außen spitz -zulaufenden Längsrippen flache, die mechanische Festigkeit erhöhende -Bänder vorhanden. Durch die Mitte der Platte (s. Fig. 18) läuft eine -starke Leiste, so daß die ganze Platte aus zwei Rahmen besteht. - -[Illustration: Fig. 19.] - -Für transportable Akkumulatoren verwenden die ~Akkumulatoren- und -Elektrizitätswerke Akt.-Ges. vormals W. A. Boese & Co.~ sogenannte -~Masseplatten~. Diese bestehen aus einem Hartbleirahmen mit einer -geringen Anzahl großer Felder (siehe Fig. 20); das Trägergewicht ist -also auf ein Minimum reduziert. Die die Felder ausfüllende Masse ist -zementartig erhärtet; in jedem Felde befinden sich mehrere kleinere und -ein größeres Loch, um den Zutritt der Säure zu den einzelnen Teilen und -die Zirkulation zwischen den Platten zu ermöglichen. Besonders bei -Entladungen mit längeren Ruhepausen, z. B. bei Telephonbetrieb, erzielt -man günstige Leistungen, zumal die Selbstentladung bei solchen Platten -eine verhältnismäßig geringe ist[103]. Für Akkumulatoren mit kürzerer -Lade- und Entladezeit sind solche Masseplatten nicht geeignet. - -[Illustration: Fig. 20.] - -~Formation~. Das Verfahren, durch welches auf den Platten eine genügend -dicke Schicht von Bleischwamm bezw. von Bleisuperoxyd gebildet wird, -nennt man Formation oder Formierung. - -Da bei der Formation Schwefelsäure nicht verbraucht wird, es sei denn, -daß man zuerst Blei oder die Bleisalze in Bleisulfat verwandeln will, so -kann man saure, alkalische und neutrale Lösungen verwenden. Entweder -wird die ganze Formation in ~einer~ Lösung ausgeführt, oder man -behandelt die Platten nacheinander in zwei verschiedenen Lösungen, z. B. -zuerst in alkalischer und dann in saurer Lösung. Ferner können Anode und -Kathode ~gleichzeitig~ in demselben Bade formiert werden, oder es findet -eine ~getrennte Formation~ statt. Jede dieser Methoden hat ihre Vor- und -Nachteile, auf die aber hier nicht eingegangen werden soll. - -a) ~Reine Planté-Formation~. Wenn man als Elektroden reine Bleiplatten -benutzt und die Zelle lädt, so erfolgt schon nach kurzer Zeit -Gasentwicklung. Sobald sich nämlich die positive Platte mit einer sehr -dünnen Schicht von Bleisuperoxyd bedeckt hat, hört die Einwirkung des -Stromes auf, da das metallisch leitende Superoxyd den darunter liegenden -Bleikern vor dem weiteren Angriff des Stromes schützt. Um nun die -Kapazität der Elektroden zu vergrößern, lockerte ~Planté~ die Platten an -der Oberfläche auf, so daß auch unmittelbar unter der Oberfläche -liegende Schichten der Stromwirkung zugänglich wurden. Das angewandte -Formierungsverfahren war folgendes: Das Element wurde kurze Zeit -geladen, dann nach einer Ruhepause entladen, hierauf wieder geladen u. -s. f. Bei den verschiedenen Ladungen, deren Dauer wegen der wachsenden -Kapazität allmählich größer wurde, schickte er den Strom bald in der -einen, bald in der anderen Richtung durch die Zelle, da nur diejenige -Elektrode angegriffen und aufgelockert wird, die bei der Ladung Anode -ist. - -Inwiefern die Ruhepause von Vorteil ist, zeigten später ~Gladstone~ und -~Tribe~. Die Superoxydteilchen bilden mit Bleiteilchen und Säure kleine, -kurzgeschlossene Elemente (siehe Selbstentladung). Diese entladen sich -während der Ruhepause; hierbei werden Blei und Bleisuperoxyd in -Bleisulfat umgewandelt. Bei der nächsten Ladung kann daher eine größere -Menge Bleisulfat in Bleisuperoxyd (bezw. in Bleischwamm, wenn die -Stromrichtung geändert wird) verwandelt werden. - -Die reine Planté-Formation ist umständlich und dauert Wochen, ja Monate -lang; sie ist wegen des großen Stromverbrauchs auch teuer. - -b) ~Beschleunigte Formation der positiven Planté-Platten~. Schon -~Planté~ fand, daß die Formation schneller vor sich geht, wenn man die -Platten zuerst in mäßig konzentrierte Salpetersäure eintaucht und dann -formiert; durch die Salpetersäure wird die Platte rein chemisch -aufgelockert. Die so erhaltene Superoxydschicht fällt aber leicht ab, -sie ist nicht so innig mit dem Bleikern verwachsen wie die bei der rein -elektrochemischen Formierung entstandene. Auch ist die Gefahr vorhanden, -daß Spuren von Salpetersäure trotz sorgfältigen Abspülens der Platte -zurückbleiben. Die Elektrode formiert sich dann im Betriebe immer -weiter, so daß das Bleigitter oder der Bleikern nach verhältnismäßig -kurzer Zeit zerstört wird. - -Später sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden, um beschleunigte -Formation besonders bei den positiven Großoberflächenplatten zu -erzielen. Sie bestehen fast alle darin, daß auf rein chemischem Wege -Bleiverbindungen gebildet werden, die auf elektrochemischem Wege in -Bleisuperoxyd umgewandelt werden. Wird die lösend wirkende Substanz dem -Elektrolyten zugesetzt, so spielen sich beide Vorgänge gleichzeitig ab. -~Epstein~ behandelt die Bleiplatten in heißer verdünnter Salpetersäure -elektrochemisch (s. oben). Eine Platte wird dann zwischen zwei -Bleibleche gehängt, die leitend miteinander verbunden sind; der -elektrolysierende Strom tritt an der zu formierenden Platte ein. - -Nach P. ~Schoop~ (l. c. I S. 106) erreicht man am sichersten eine -tiefgehende Auflockerung des Bleies bei Verwendung einer Lösung von -Natriumbisulfat und Kaliumchlorat. In den Elektrolyten werden drei -Bleiplatten aufgehängt, die Außenplatten werden miteinander verbunden -usw. (s. oben). Auf der Mittelplatte (Anode) bildet sich eine braune -Substanz, die aber kein Bleisuperoxyd ist. Das Chlor wird aus der Platte -entfernt, wenn die Substanz zu Bleischwamm reduziert wird. Dies -geschieht elektrochemisch in stark verdünnter Schwefelsäure. Die Platten -werden sorgfältig mit destilliertem Wasser ausgewaschen, um alles -Chlor[104] (Salzsäure) zu entfernen, dann getrocknet und erhitzt. Es -bildet sich ein gleichmäßiger und festhaftender Überzug von Bleioxyd; -dieses wird durch elektrochemische Formation in verdünnter Schwefelsäure -in Superoxyd umgewandelt. - -c) ~Formation der pastierten Platten~. α) Negative Platten. Die -Füllmasse besteht aus basischem, sowie aus neutralem Bleisulfat und aus -nicht zersetztem Bleioxyd. Da sie ziemlich grobkörnig ist und nur zum -Teil aus Bleisulfat besteht, so geht dieses nur langsam in Lösung. -Infolgedessen wird, wenn man nicht mit sehr geringer Stromdichte -arbeitet, der Elektrolyt an Bleisalz oder an Bleiionen bald verarmen. -Nimmt aber die Konzentration dieser Ionen in der Nähe der Platte ab, so -steigt die Spannung an der Kathode und erreicht bald die für die -Wasserstoffabscheidung nötige Höhe. Um die unnütze und auch schädliche -Wasserstoffentwickelung zu verhüten, muß man dafür sorgen, daß die -Konzentration der Wasserstoffionen eine möglichst kleine oder diejenige -der Bleiionen eine möglichst große ist. Da neutrale Salze bei der -elektrolytischen Dissoziation keine Wasserstoffionen liefern, so sind -neutrale Lösungen für die Formation der negativen Platten vorzuziehen; -besonders eignen sich Magnesium- und Aluminiumsulfat (von ~Fitz-Gerald~ -zuerst ausgeführt, von P. ~Schoop~ wieder aufgenommen). Hierbei bildet -sich an der negativen Platte gallertartiges Magnesium- bezw. -Aluminiumhydroxyd, das aber durch Säure, die bei der Formation (aus der -Paste) frei wird, neutralisiert wird. Eine Verarmung des Elektrolyten an -Bleiionen -- das zweite Mittel, die Wasserstoffentwickelung -zurückzudrängen -- kann man dadurch erreichen, daß man die Löslichkeit -des Bleisulfates steigert, z. B. durch Erwärmung des Elektrolyten[105], -oder eine Substanz zusetzt (z. B. Natriumacetat), die mit Blei ein -lösliches Salz bildet (Bleiacetat). Von dieser Methode hat man in der -Praxis keine Anwendung gemacht, da selbst sehr geringe zurückbleibende -Mengen des Zusatzes dem Akkumulator sehr schädlich sind. - -Erfolgt die Formation in verdünnter Schwefelsäure zwischen zwei mit -einander verbundenen Bleiblechen (Anoden), so dauert sie mehrere Tage. - -β) Positive Platten. Die Füllmasse besteht aus Bleisulfat, Bleisuperoxyd -(s. S. 123) und Bleiglätte bezw. Mennige. Die Abscheidung der -Bleisuperoxydionen, deren Existenz wir annehmen wollen (s. S. 55), muß -durch Steigerung der Konzentration dieser Ionen gefördert werden (die -Sauerstoffentwickelung also verringert werden). Nun ist die -Konzentration dieser Ionen umgekehrt proportional der vierten Potenz der -Wasserstoffionen; mithin muß letztere Konzentration auf einer möglichst -geringen Höhe gehalten werden. In neutraler Lösung erfolgt also die -Formation schneller als in saurer[106]. Man verwendet Aluminium- und -Magnesiumsulfat. Während der Formation bildet sich Schwefelsäure, durch -deren Dissoziation Wasserstoffionen entstehen; die Säure muß -neutralisiert werden; man erreicht dies durch aufgeschwemmtes Magnesium- -oder Aluminiumhydroxyd. - - [98] Über die verschiedenen Patentansprüche und die historische - Entwickelung des Akkumulators siehe ~Hoppe~, Akkumulatoren für - Elektrizität, 5. Auflage, ferner P. ~Schoop~, Die Sekundär-Elemente. - - [99] Bei Großoberflächenplatten ist das mit dem Bleikern verwachsene - Bleisuperoxyd, bei Gitterplatten die ganze eingetragene Masse gemeint. - - [100] In Wirklichkeit ist er etwas größer, da ein Teil des Stromes in - die Säure innerhalb der Rippen eindringt. - - [101] Näheres über die Fabrikation findet man in: F. ~Grünwald~, Die - Herstellung der Akkumulatoren, 3. Aufl., 1903. W. Knapp. - - [102] M. U. ~Schoop~ berechnet in der früher erwähnten Schrift die - Porosität einer formierten, gut geladenen Bleisuperoxydplatte - (Gitterplatte) zu angenähert 43%, d. h. beträgt der für die Füllmasse - zur Verfügung stehende Raum 100 cm³, so sind 43 cm³ mit Säure - angefüllt. Für die Bleischwammplatte ergab sich eine noch größere - Porosität. - - [103] Näheres siehe E. T. Z. 1907, S. 539. - - [104] Für Chlor gilt ähnliches wie für Salpetersäure (s. S. 128). - - [105] Nicht zu empfehlen, da bei Erwärmung die wirksame Masse zu - locker wird. - - [106] Eine saure Lösung ist eine solche, in der sich Wasserstoffionen - befinden; je größer die Konzentration der H·, um so größer ist die - Acidität. - - - - -Siebentes Kapitel. - -Aufstellung der Batterie, Einbau der Platten, Vorschriften über die -Behandlung, Lebensdauer. - - -~Aufstellung.~ Der ~Raum~, in dem die Akkumulatorenbatterie -untergebracht wird, soll kühl, trocken und vor allem gut ventilierbar -sein, damit die Säure nicht zu stark verdunstet, die Außenwände der -Zellen trocken gehalten werden können (Isolation) und die bei der Ladung -sich bildenden Gase schnell entweichen. Während der Ladung dürfen -brennende oder glühende Körper in dem Akkumulatorenraume nicht geduldet -werden, da die Möglichkeit nicht ausgeschlossen ist, daß sich bei -schlechter Ventilation eventuell vorhandenes Knallgas entzündet. Zur -Beleuchtung dürfen nur elektrische Lampen verwendet werden, die im -luftleeren Raume brennen. - -Der Fußboden soll fest und solide sein, natürlich muß er auch säurefest -sein. Allen Anforderungen dürfte ein Asphaltboden auf Untergrund aus -Zementbeton genügen[107]. - -Die Elemente müssen so aufgestellt werden, daß man zu jeder Zelle freien -Zutritt hat zwecks einer Besichtigung, Messung der Säuredichte oder -sonstiger vorzunehmender Arbeiten, z. B. Auswechselung defekt gewordener -Platten. Daher sollten bei kleineren Zellen nicht mehr als zwei Reihen -neben- und übereinander auf demselben Gestelle stehen; größere Zellen -müssen auf dem Boden nebeneinander aufgestellt werden. Nach den -Vorschriften des Verbandes Deutscher Elektrotechniker müssen die Zellen -von Batterien für hohe Spannungen so angeordnet sein, daß bei der -Bedienung eine zufällige gleichzeitige Berührung von 2 Punkten, zwischen -denen eine Potentialdifferenz von mehr als 250 Volt herrscht, nicht -stattfinden kann. Bei Batterien in Anlagen mit mehr als 250 Volt -Gebrauchsspannung zwischen 2 Leitern oder mehr als 2 × 250 Volt in -Dreileiteranlagen sind nach den Vorschriften des V. D. E. -Lattenlaufböden erforderlich. (Isolation gegen Erde.) - -Die ~Gestelle~ werden aus sorgfältig geteerten oder mit Paraffinöl -durchtränkten Balken hergestellt. Der Gebrauch von Nägeln, Schrauben, -Bandagen aus Eisen ist zu verwerfen, da diese durch die Säure -angegriffen werden; die Verbindung der einzelnen Teile des Gestelles muß -daher durch Holzpflöcke geschehen. - -Große Sorgfalt ist auf die ~Isolation~ zu verwenden, da die Außenseiten -der Elemente auch bei guter Bedienung nicht ganz trocken bleiben. Die -einzelnen Zellen sind gegeneinander und gegen das Gestell und dieses -gegen die Erde durch nichthygroskopische Unterlagen zu isolieren. Bei -größerer Batteriespannung kann man Ölisolatoren verwenden, deren oberer -Teil größer ist als der untere, so daß etwa herabfließende Säure über -den oberen (überhängenden) Teil hinwegtropft, der untere Teil des -Isolators also trocken bleibt. - -Die im Akkumulatorenraume verlegten Drähte müssen mit säurefester Farbe -angestrichen werden. -- - -Als ~Zellen~ benutzt man Gefäße aus Glas, Zelluloid, Hartgummi und Holz. -Glas isoliert gut, ist billig und ermöglicht eine genaue Besichtigung -des Inneren des Elementes. Für transportable Akkumulatoren verwendet man -Hartgummi oder Zelluloid und versieht die Zellen mit einem Deckel; noch -vorhandene Fugen werden mit einem säurefesten und elastischen Kitt -verstrichen. Zelluloid soll bei Akkumulatorenbatterien für mehr als 16 -Volt Spannung als Material für Gefäße nicht verwendet werden. - - Zelluloid ist zwar leicht entzündbar, da aber die Wände von innen - durch die Säure gekühlt werden, so wird es nicht leicht vorkommen, daß - das Zelluloid bis zur Entzündungstemperatur erhitzt wird. Es hat die - Vorzüge, daß es gegen Stöße unempfindlich ist, leicht verarbeitet - werden kann und durchsichtig ist; ferner können Gefäße aus diesem - Stoffe repariert werden. - -Für große Elemente benutzt man Holzkasten, die mit Bleiblech im Innern -verkleidet werden. Natürlich dürfen die Platten diese Verkleidung nicht -berühren. - -[Illustration: Fig. 21.] - -~Einbau~. Die Platten werden bei stationären Elementen meistens mittels -zweier Fahnen oder Nasen auf dem oberen Rande des Gefäßes aufgehängt (s. -Fig. 21), damit sie sich frei ausdehnen können. Die Oberflächen der -einzelnen Platten müssen genau parallel laufen, und der Abstand zwischen -zwei benachbarten Platten soll in der ganzen Zelle derselbe sein. Hängt -nämlich eine Platte schief, so werden die Stellen, die den kleinsten -Abstand haben, am stärksten beansprucht, so daß Krümmungen eintreten -können; diese können wiederum Abbröckeln der aktiven Masse und -Kurzschluß herbeiführen. Hat ferner eine positive Platte von den beiden -benachbarten Elektroden ungleichen Abstand, so werden ihre beiden Seiten -nicht gleichmäßig ausgenutzt, ebenso nicht die der betreffenden -positiven Platte zugewendeten Seiten der negativen Elektroden. -Parallelität und gleiche Abstände erreicht man am einfachsten dadurch, -daß man zwischen je zwei Platten eine genügende Anzahl von Glasstäben -schiebt, die alle denselben Durchmesser haben, und durch elastische -Bleistreifen oder Gummipuffer einen seitlichen Druck gegen die Platten -ausüben läßt (s. Fig. 21). - -Zwischen der unteren Plattenkante und dem Boden des Gefäßes muß sich ein -größerer Zwischenraum befinden, in dem sich herabfallende aktive Masse -sammeln kann (Vermeidung eines inneren Kurzschlusses). - -[Illustration: Fig. 22.] - -In Fig. 22 ist schematisch dargestellt (für 2 Elemente), wie die Platten -angeordnet und mit einander verbunden werden. Warum die erste und letzte -Platte einer jeden Zelle negativ sind, wurde früher dargelegt (s. S. -62). Man sieht, daß die positiven Fahnen der ersten Zelle mit den -negativen Fahnen der zweiten durch eine Bleileiste verbunden sind. -- -Bei kleinen Elementen, die nur aus einer positiven und zwei negativen -Platten bestehen, verbindet man die beiden letzteren wohl auch durch -einen Steg. - -Der Abstand der Platten richtet sich nach deren Größe; einerseits darf -er nicht zu groß sein, damit der innere Widerstand der Zelle nicht -unnötig groß wird, anderseits darf er nicht so klein sein, daß eine -Besichtigung der Platten erschwert oder unmöglich wird; auch kann sich -bei geringen Abständen leicht Kurzschluß bilden. Bei kleinen Platten -(bis etwa 3 qdm einseitiger Oberfläche) beträgt der Abstand in der Regel -8 bis 10 mm, bei mittelgroßen (bis 6 qdm) 10 bis 12 mm und bei großen 12 -bis 15 mm. Bei kleinen transportablen Akkumulatoren sollte der Abstand -der Platten reichlich groß gewählt werden, damit Kurzschluß durch -herausfallende Masse möglichst vermieden und eine genaue Besichtigung -des Innern der Zelle leicht ausführbar ist. - -[Illustration: Fig. 23.] - -Seit einigen Jahren ist man dazu übergegangen zwischen die einzelnen -Platten ~Holzbrettchen~ oder dergl. zu schieben. Wir haben bereits -gesehen, daß man der aktiven Masse der negativen Platten indifferente -Substanzen zusetzt, um die Verbleiung zu verhindern. Die aktive Masse -quillt dann leicht aus dem Gitter, sie kann herausfallen und Kurzschluß -bewirken. Um diesem Übelstande zu steuern, bedeckt die Firma ~Gottfried -Hagen~ in Cöln-Kalk die negative Elektrode mit einer gelochten -Hartgummiplatte, die durch die Glasröhren gegen das Gitter gepreßt wird. -Die Perforierung ist eine so feine, daß jedes Durchtreten von Partikeln, -die sich loslösen, durch die Öffnungen ausgeschlossen ist und die Säure -dennoch leicht zirkulieren kann. Werden Holzkasten für die Zellen -verwendet, bei denen Glasröhren keinen Zweck haben, da man ohnehin nicht -das Zelleninnere besichtigen kann, so werden Hartgummiplatten verwendet, -die auf der einen Seite mit Rippen versehen sind (s. Fig. 23); diese -vertreten die Stelle der Glasröhren. - -[Illustration: Fig. 24.] - -Nach den Montagevorschriften der ~Akkumulatoren-Fabrik -Aktien-Gesellschaft~ werden zwischen die einzelnen Platten Holzbrettchen -geschoben, die etwas größer sind als die Platten. Die Brettchen werden -in die Schlitze von Holzstäben geschoben (siehe Fig. 24). Diese sind -etwas dünner als die Plattenzwischenräume und sitzen anfangs etwas lose. -Da die Stäbe in der Säure quellen, so sitzen sie bald fest. Auf diese -Weise wird erreicht, daß zwischen Platten und Brettchen ein enger -Zwischenraum ist und die aktive Masse mit einer genügend großen Menge -von Säure in Berührung ist. Die Brettchen erfahren eine besondere -Vorbehandlung in der Fabrik, und es sollen (infolgedessen?) aus dem Holz -Stoffe in Lösung treten, die ein Sulfatieren der Platten fast unmöglich -machen, so daß die Kapazität lange bleibt. Die Wirksamkeit der Brettchen -soll, da die betreffenden Stoffe sich nur langsam ausscheiden, für -lange Jahre vorhalten. Außerdem dienen die Brettchen auch als Mittel zur -Verhinderung von Kurzschluß. - -Es empfiehlt sich, die Zellen mit Glasplatten zu bedecken, weil dann -Säurepartikelchen, die beim „Kochen‟ durch die Gase mitgerissen werden, -zurückgehalten werden und verhindert wird, daß von der Decke -abbröckelnder Kalk oder dgl. in die Säure fällt. - -Für die Elemente der ~Automobilbatterien~ werden Hartgummikasten -verwendet. Die Platten werden auch mit Zwischenlagen aus perforiertem -Hartgummiblech oder aus Holzbrettchen eingebaut. Die einzelnen Elemente -werden so miteinander verbunden, daß schadhafte Zellen leicht -ausgewechselt werden können; man benutzt biegsame Verbindungen aus -Bleistreifen oder verbleiten Kupferstreifen, die beiderseits durch -Schrauben befestigt werden. - -~Säure~. An die ~Reinheit~ der Schwefelsäure und des zum Nachfüllen zu -benutzenden Wassers sind, wie sich aus früheren Betrachtungen (s. S. 107 -und S. 110) ergeben dürfte, die ~höchsten Anforderungen zu stellen~. Sie -müssen vor allem frei sein von metallischen Verunreinigungen. Fremde -Metalle (s. Selbstentladung) bewirken das sogen. Nachgasen. Man prüft -die Säure auf die Anwesenheit schädlicher Metalle dadurch, daß man -mittels eines sauberen Holzspans ein Stückchen Zink in eine Probe -bringt, die sich in einem Reagenzglas befindet. Sind schädliche Metalle -in der Säure, so bilden sich Lokalelemente, und es wird elektrolytisch -Wasserstoff abgeschieden, man sieht beständig feine Gasbläschen -emporsteigen. Der Versuch, der etwa ½ Stunde dauern sollte, wird 3mal -wiederholt; bleibt ~einmal~ die stetige Bläschenbildung aus, so ist die -Säure frei von schädlichen Metallen. - -Der Elektrolyt muß ferner frei sein von Chlor, Salpetersäure und -salpetriger Säure, Arsenverbindungen und Essigsäure. Auch ganz minimale -Mengen dieser Substanzen sind dem Akkumulator sehr schädlich; sie wirken -nämlich zerstörend auf den Bleikern, indem sie Blei lösen. Die -Bleiverbindung wird durch den Strom zersetzt und die Verunreinigung wird -wieder frei usw. (s. Formation). - - ~Untersuchung auf Salpetersäure~: Man löst etwas Brucin in - konzentrierter Schwefelsäure und setzt der Schwefelsäureprobe einige - Tropfen der Lösung zu. Bei Gegenwart auch der geringsten Menge - Salpetersäure erfolgt Rotfärbung. - - Stickstoffverbindungen können auch in der Weise nachgewiesen werden, - daß man in Wasser eine gleiche Menge konzentrierter Schwefelsäure - eintropfen läßt und der heißen Lösung etwas Indigolösung zusetzt. Wird - die Flüssigkeit entfärbt, so ist die Säure nicht brauchbar. - - ~Die Untersuchung auf Chlor~ ist mit besonderer Sorgfalt auszuführen. - 5 cm³ (ca. 9 Gramm) Säure werden mit 50 cm³ destilliertem Wasser - gemischt[108]; nach 5-6 Stunden setzt man etwas Salpetersäure und - 20prozentige Silbernitratlösung (Höllensteinlösung) zu. Nach - einstündigem Stehen darf die Flüssigkeit keine weiße Färbung, - höchstens ganz schwaches Opalisieren zeigen. (Es bildet sich bei - Gegenwart von Chlorverbindungen unlösliches, weißes Chlorsilber.) - - ~Arsenverbindungen~ werden durch eingeleiteten Schwefelwasserstoff in - braunes, unlösliches Schwefelarsen umgewandelt. - -Zum Füllen der Elemente benutzt man verdünnte Schwefelsäure vom -spezifischen Gewichte 1,15 bis 1,17; sind die Positiven -Großoberflächenplatten, so kann die Säure etwas stärker sein. Die Dichte -der Säure wird bei den ersten Ladungen etwas größer, da die Paste noch -weiter formiert wird und hierbei Schwefelsäure frei wird. -- Da bei der -Vermischung von Schwefelsäure und Wasser eine starke Wärmeentwickelung -erfolgt und explosionsartige Erscheinungen auftreten, wenn man Wasser -in Schwefelsäure gießt, so muß man die Schwefelsäure in dünnem Strahle -unter Umrühren dem Wasser zusetzen. Mittels des Aräometers konstatiert -man, ob die Mischung das gewünschte spezifische Gewicht hat. Erst nach -dem Erkalten darf die Säure in die Akkumulatorengefäße gegossen werden. -Muß man einen Trichter benutzen, so verwende man einen solchen aus Glas -oder Porzellan. - -Da die Untersuchung der Schwefelsäure und die Herstellung der Mischung -umständlich ist, so empfiehlt es sich, die Säure durch die -Akkumulatorenfabrik oder durch Handlungen zu beziehen, die von der -Akkumulatorenfabrik empfohlen werden. - -Die Säure soll die oberen Kanten der Platten mindestens 1 cm überragen; -vor allem darf es nicht vorkommen, daß der obere Teil der Platten aus -der Säure herausragt. Im Laufe der Zeit ändert sich die Menge und die -Dichte der Säure, da Wasser verdampft, kleine Säureteilchen von den bei -der Ladung sich bildenden Gasblasen mitgerissen werden und die Kapazität -der Platten zu- bezw. abnehmen kann; wächst diese im Laufe der Zeit, so -wird bei der Entladung mehr Säure verbraucht und die Schwankungen der -Säuredichte werden größer. Meistens genügt es, durch Zusatz von -destilliertem Wasser[109] die Säure auf die richtige Höhe zu bringen; -von Zeit zu Zeit jedoch muß man die Säuredichte der einzelnen Zellen -sowohl im vollständig geladenen wie im vollständig entladenen Zustande -messen und eventuell Akkumulatorensäure hinzufügen (nie konzentrierte -Säure, da diese die Platten angreift). Man setzt am besten die Säure vor -Beginn der Ladung zu, indem die Gasblasen eine Vermischung bewirken. Im -entladenen Zustande beträgt die Säuredichte meist 1,15, im geladenen -Zustande kann sie bis 1,20 betragen. Eine zu niedrige Säuredichte -schadet übrigens dem Akkumulator nicht, wohl aber eine zu hohe -(Begünstigung der Sulfatierung, Verringerung der Lebensdauer). Säure, -die beim Nachfüllen verschüttet wird, ist sofort abzuwaschen, damit die -Isolatoren trocken bleiben. - -Die Säuredichte mißt man mittels eines ~Aräometers~, dessen Körper so -flach ist, daß man es in den engen Zwischenraum zwischen den Platten -einführen kann. Sind die Zellen mit einem Deckel versehen, so benutzt -man ein ~Aräometer~ mit ~Saugheber~ und Gummiball. Bei genauen -Untersuchungen ist zu beachten, daß die Säure in der Nähe des -Gefäßbodens etwas konzentrierter ist. Durch Einblasen von Luft kann man -eine Vermischung herbeiführen. - -In der folgenden Tabelle ist das spezifische Gewicht, das -Mischungsverhältnis und der Widerstand von 1 cm³ verdünnter -Schwefelsäure angegeben. - - - Spezifisches | Gewichts- | Grade | Widerstand eines - Gewicht bei | prozente | Baumé | Kubikcent. - 15° | H₂SO₄ | | (angenähert) - =============+===========+=======+================== - 1,10 | 14,35 | 13,0 | 2,2 Ohm - 1,12 | 17,01 | 15,4 | 1,8 „ - 1,14 | 19,61 | 17,7 | 1,6 „ - 1,16 | 22,20 | 19,8 | 1,5 „ - 1,18 | 24,76 | 22,0 | 1,45 „ - 1,20 | 27,32 | 24,0 | 1,4 „ - 1,22 | 29,84 | 26,0 | 1,38 „ - 1,224 | 30,50 | 26,6 | 1,36 „ (Minimum) - -Zuweilen verwendet man für die Füllung transportabler Akkumulatoren -~gelatinöse Schwefelsäure~, die aus Schwefelsäure, Wasserglas und -Asbest hergestellt wird. Die ~Trockenfüllung~ leidet an den Nachteilen, -daß der innere Widerstand des Elementes stark erhöht und die Kapazität -wesentlich verringert wird. Die Füllung muß mit einer Schicht flüssiger -Säure von etwa 5 mm Dicke bedeckt sein, ev. ist destilliertes Wasser -oder stark verdünnte Säure zuzusetzen. - -Für Automobilbatterien verwendet man, da man die Säuremenge, um das -Gewicht zu verringern, möglichst klein macht, Säure von etwas höherer -Konzentration als bei Zellen für stationäre Anlagen; im geladenen -Zustande darf die Säuredichte den Wert 1,25 erreichen. - -Muß eine Zelle ~geleert werden~, so zieht man die Säure mittels eines -Hebers ab; die Platten werden in destilliertem Wasser aufbewahrt. Die -betreffende Zelle muß, nachdem sie neu montiert ist, stark überladen -werden. Zu dem Zwecke schaltet man sie während der Ladung der Batterie -mit den anderen Zellen in Reihe, man verbindet sie also mit den beiden -benachbarten Zellen. Nach Beendigung der Ladung wird eine der beiden -Verbindungen beseitigt und der positive Pol des einen Nachbars mit dem -negativen Pole des anderen verbunden (~Überbrückung~). Unsere Zelle ist -also während der Entladung der Batterie ausgeschaltet. Bei der folgenden -Ladung wird sie wieder mitgeladen usw. - -~Die Vorschriften für die Ladung und Entladung~ weichen in einzelnen -Punkten bei den verschiedenen Firmen voneinander ab, was ja schon durch -den Umstand erklärt werden kann, daß die Fabrikate verschieden sind. Die -folgenden Vorschriften dürften aber allgemein gültig sein. - -Die ~erste Ladung~ (nach der Montage) soll, wenn eben möglich, ohne -Unterbrechung so lange fortgesetzt werden, bis bei allen Zellen an -beiden Elektroden reichlich Gas entwickelt wird. Ihre Dauer ist eine -große (24-48 Stunden), da die aktive Masse, besonders bei den negativen -Platten, an der Luft (während des Transportes, der Montage) verändert -wird, so daß eine nachträgliche Formierung erfolgen muß. Am längsten -dauert natürlich die erste Ladung, wenn die negativen Platten unformiert -versandt wurden. - -Die späteren Ladungen sollen, wenn möglich sofort, spätestens aber 24 -Stunden nach Beendigung der Entladung erfolgen (s. Sulfatierung). Falls -die ~Batterie stark erschöpft~ ist, was bei Betriebsstörungen, z. B. bei -einer Reparatur der Dynamo, vorkommen kann, so muß ~sofort~ gründlich -aufgeladen werden. Zu beachten ist, daß man den positiven Pol der -Batterie mit dem positiven Pole der Stromquelle verbinden muß (ev. -Polreagenzpapier benutzen). Der maximale Ladestrom (gewöhnlich gleich -der maximalen Entladestromstärke) darf nicht überschritten werden. Man -lädt so lange, bis bei sämtlichen Elementen der Batterie an beiden -Elektroden lebhafte Gasentwicklung erfolgt. Der Wärter hat die Pflicht, -bei jeder Ladung nachzusehen, ob alle Zellen gasen[110]. - -Finden täglich mehrere Teilladungen statt, so darf nur ~eine~ bis zur -vollen Gasentwicklung durchgeführt werden, die anderen dagegen sind -sofort abzubrechen, wenn an einer Elektrode Gasentwicklung beginnt. - -Will man (im Laboratorium) große und kleine Zellen gleichzeitig laden, -so schaltet man zwei oder mehrere der kleinen Zellen parallel, bildet -aus diesen gleichsam einen größeren Akkumulator, oder man wählt den -Strom so, daß er der kleinsten Type angepaßt ist. - -Es ist darauf zu achten, daß die mit dem Zellenschalter verbundenen -Elemente nicht zu lange überladen werden. - -Auch dann, wenn eine Batterie nicht oder nur wenig benutzt wird -(Laboratorium), muß von Zeit zu Zeit, etwa alle 14 Tage, aufgeladen -werden (siehe Selbstentladung). Automobilbatterien sollen nach jeder -Fahrt geladen werden. - -Die Ladestromstärke darf, wie wir bereits sahen, eine gewisse Größe -nicht überschreiten; sie ist, wenn an beiden Platten Gasentwicklung -erfolgt, auf etwa die Hälfte des ursprünglichen Wertes herabzusetzen. -Hierfür kann man verschiedene Gründe angeben. Wird die Gasentwicklung zu -stürmisch, so werden viele kleine Partikelchen der wirksamen Masse -losgesprengt. Ferner hat die Elektrodenspannung, wenn die Stromstärke -nicht vermindert wird, einen hohen Wert, und es kann sich -Überschwefelsäure bilden (s. S. 14). Auch wird bei starker -Gasentwicklung zu viel Säure verspritzt. - -Bei Lichtanlagen arbeiten die Dynamo und Batterie parallel. Die Ladung -der Batterie muß, ehe der Parallelbetrieb beginnt, beendet sein, ein -~Nachladen~ bei ausgeschaltetem Ladeschalter ist unter allen Umständen -~zu vermeiden~, weil es zu einer Schädigung der mittleren Schaltzellen -führt. - - Wir wollen uns dies an einem bestimmten Falle klar machen. Es handle - sich um eine Lichtanlage, bei der die Spannung in der Zentrale 115 - Volt beträgt. Es sind 115:1,8 = 64 Zellen erforderlich; von diesen - seien 12 mit dem Doppelzellenschalter Verbunden. Die Ladung sei soweit - fortgeschritten, daß die Spannung jeder Zelle 2,2 Volt beträgt. Dann - werde zum Parallelbetrieb übergegangen. Die Ladung kann nur durch den - Entladeschalter geschehen (s. S. 173). Es können dann nur 115:2,2 = 52 - Zellen Strom bekommen, die 12 letzten Zellen werden also nicht mit - geladen. Muß die Batterie später Strom abgeben, so sind anfänglich - 115 : 2 = 58 Zellen an der Stromlieferung beteiligt. Die Zellen 53 bis - 58 werden also überanstrengt, da sie bei der Nachladung keinen Strom - erhielten. - -Die Akkumulatoren-Fabrik Akt.-Ges. schreibt für ihre Batterien vor, daß -unter normalen Verhältnissen etwa alle 3 Monate eine ~Ladung mit -Ruhepausen~ erfolgen soll (s. S. 114). Durch diese sucht man offenbar -einer beginnenden Sulfatation vorzubeugen. Die Ladung geschieht in der -Weise, daß die Maschine abgeschaltet wird, sobald an beiden Elektroden -die Gasentwicklung beginnt; die Batterie ist vom Netze zu trennen. In -diesem Ruhezustande soll sie mindestens 1 Stunde stehen bleiben. Dann -wird wieder geladen bis zur Gasentwicklung, wieder abgeschaltet etc. -Ladungen und Ruhepausen sollen solange aufeinander folgen, bis ~sofort~ -nach dem Einschalten der Maschine Gasentwicklung beginnt. Bei den -Nachladungen soll die Stromstärke natürlich kleiner als die normale -sein. Dasselbe Verfahren soll angewandt werden, wenn die Batterie zu -stark beansprucht und wenn sie wiederholt ungenügend geladen worden ist. - -Zellen, die voraussichtlich längere Zeit nicht benutzt werden, sind -gründlich aufzuladen (Selbstentladung); besonders schnell geht die -Selbstentladung bei Großoberflächenplatten vor sich. - -Der Wärter hat die Pflicht, alle ~Zellen bei~ jeder ~Ladung~ zu -beobachten; besondere Aufmerksamkeit soll er den Schaltzellen zuwenden. -Es kommt zuweilen vor, daß eine ~Zelle~ gegen die anderen -~zurückbleibt~[111]; es erfolgt keine Gasentwicklung, wenn die Nachbarn -schon lange „kochen‟, die Säuredichte steigt nicht oder doch nur sehr -langsam an. Eine solche Zelle ist auf ~Kurzschluß~ zu untersuchen. Ein -solcher kann verursacht werden dadurch, daß sich eine Platte krümmt oder -dadurch, daß ein Fremdkörper in die Zelle hineinfällt oder daß aktive -Masse aus dem Gitter herausfällt. Er hat zur Folge, daß der Ladestrom -sich verzweigt und nur ein Bruchteil des Stromes durch die Säure fließt, -d. h. eine elektrochemische Wirkung ausübt. Nach der Ladung entlädt sich -die Zelle in sich selbst; denn der den Kurzschluß bewirkende Körper -bildet eine leitende Verbindung zwischen den beiden Polen. Bei einer -solchen Zelle tritt bald Sulfatierung ein, die mit einer -Kapazitätsabnahme verbunden ist. - -Das Vorhandensein eines Kurzschlusses kann man mittels eines kleinen -Kompasses feststellen. Diesen legt man nacheinander zwischen zwei -benachbarte Fahnen; kommt man an eine Platte, die Kurzschluß hat, so -wird die Nadel durch das magnetische Feld des Stromes abgelenkt. - -Die ~Vorschriften für die Entladung~ sind größtenteils schon in den -Betrachtungen des Kapitels 4 enthalten. Es sei daran erinnert, daß eine -gewisse Stromstärke nicht überschritten werden darf. Dies ist besonders -beim Experimentieren im Laboratorium etc. zu beachten. Ist man im -Zweifel, wie stark der Strom bei einem Versuche wird, so muß man einen -Rheostaten und ein Ampermeter mit einschalten, wie es in Fig. 25 -angedeutet ist. In dieser soll _A_ den Apparat darstellen, dem Strom -zugeführt wird, _Amp._ ein Ampermeter, _W_ einen veränderlichen -Widerstand, _B_ die Batterie, _Voltm._ ein Voltmeter. - -Die Frage, woran man erkennt, ob ein Akkumulator entladen ist, hat große -praktische Bedeutung (man vergleiche die Bemerkungen auf S. 102 und die -Darlegungen über die Erholung). Weiß man nicht bestimmt, ob man einer -Zelle noch Strom entnehmen darf, so verbindet man die Klemmen mit einem -Voltmeter und läßt das Element den der dreistündigen Entladung -entsprechenden Strom abgeben. Ist die Zelle erschöpft, so sinkt die -Klemmenspannung in kurzer Zeit auf 1,8 Volt. -- Dauert ein Versuch -längere Zeit, so sollte stets ein Voltmeter mit den Klemmen des -Elementes bezw. der Batterie verbunden sein (Schaltung s. Fig. 25). - -[Illustration: Fig. 25.] - - Um zu prüfen, wie groß noch ungefähr die Elektrizitätsmenge ist, die - man entnehmen darf, kann man das Aräometer benutzen. Kennt man die - Säuredichte der Zelle in geladenem und entladenem Zustande, so kann - man aus dem augenblicklichen spezifischen Gewichte einen Schluß über - den Energieinhalt ziehen. Weiß man z. B., daß die Säuredichte des - vollgeladenen Elementes 1,20 und diejenige der entladenen Zelle 1,16 - ist, und findet man, daß das spezifische Gewicht den Wert 1,17 hat, so - enthält der Akkumulator noch ungefähr ¾ seiner Elektrizitätsmenge. - -Elemente, die sehr selten oder nie ganz entladen werden, gehen in ihrer -Kapazität zurück. Soll dies vermieden werden, so müssen die Zellen von -Zeit zu Zeit, etwa alle 4-5 Wochen einmal, mit möglichst der -garantierten Kapazität beansprucht werden. Diese Vorschrift ist -besonders für solche von Wichtigkeit, die Anlagen in Schulen etc. zu -beaufsichtigen haben. - -~Sulfatieren~, ~Krümmen~. Bei Batterien macht sich stärkere -~Sulfatierung~ in einer oder mehreren Zellen in der Weise bemerkbar, daß -bei der gewöhnlichen anfänglichen Ladespannung nur ein schwacher Strom -zustande kommt. Um die schadhafte Zelle herauszufinden, mißt man die -Spannung der Elemente einzeln mittels eines Voltmeters für geringe -Spannungen (Taschenvoltmeter bis 3 Volt); in stromlosem Zustande ist die -Klemmenspannung der betreffenden Zelle sehr klein. Bei der Ladung kann -in der kranken Zelle Gasentwicklung erfolgen, ohne daß ein chemischer -Umsatz an den Platten erfolgt. - -Bedeckt das kristallinische Bleisulfat noch nicht die ganze Oberfläche, -oder ist es nur in sehr dünner zusammenhängender Schicht vorhanden, so -gelingt es meistens, die Zelle unter Anwendung einer höheren Spannung -(3-4 Volt) aufzuladen. (Im Laboratorium benutzt man am besten die -Thermosäule; bei größeren Batterien kann man den Ladestrom den -Schaltzellen entnehmen.) Während der Ladung schalte man ab und zu (etwa -nach je 10 Minuten) eine Ruhepause (5-10 Minuten) ein (S. 114). Nach der -ersten Ladung hat das Element noch nicht seine volle Kapazität. Man -behandelt daher die Zelle in der früher angegebenen Weise. - -Die Sulfatierung ist in der Regel mit einem ~Krümmen~ der Platten -verbunden. Findet man, daß eine Platte die Neigung zum Werfen hat, so -schiebt man zwischen sie und die benachbarte Platte Glasstäbe, so daß -eine weitere Verringerung des Plattenabstandes nicht erfolgen kann, oder -man drückt die Platte durch breite flache Hölzer, deren Dicke gleich -dem Plattenabstand ist, gerade. Gelingt dies nicht, so ist die Platte -durch eine neue zu ersetzen. Die Kölner Akkumulatoren-Werke schreiben -vor, daß in Zellen, die dauernd zu arbeiten haben, Platten aus der -letzten Schaltzelle kommen, also Platten, die gut durchgearbeitet sind, -während die neuen Platten in die Schaltzellen eingesetzt werden. - -Damit man beginnende Krümmung oder andere Fehler entdeckt, muß man von -Zeit zu Zeit eine Revision sämtlicher Zellen vornehmen. Man bedient sich -hierbei, besonders wenn es sich um große Zellen oder um Elemente in -Holzkästen handelt, einer ~Ableuchtlampe~, d. h. einer elektrischen -Lampe mit Schutzkorb, Schutzglas, einer Schlauchleitung und einem -Stöpsel für Wandkontakt[112]. - -~Automobilzellen~ sind von Zeit zu Zeit, unter normalen Verhältnissen -alle drei Monate, zu ~reinigen~. Die Plattensätze werden zu dem Zwecke, -nachdem die Batterie entladen ist, zusammen mit dem Deckel vorsichtig -aus den Kasten herausgehoben, durch mehrmaliges Heben und Senken in -destilliertem Wasser abgespült; die Kasten werden entleert und -gereinigt, dann werden die Plattensätze wieder eingeschoben und Säure -vom spez. Gew. 1,16-1,17 zugesetzt. Nach jeder Reinigung muß eine -gründliche Aufladung mit etwa dem halben normalen Ladestrom erfolgen. - -Im Übrigen sei bemerkt, daß die Firmen genaue Vorschriften über die -Behandlung der von ihnen gelieferten Batterien geben und daß sie gegen -eine jährliche Prämie die Überwachung und Instandhaltung der Batterien -übernehmen (~Akkumulatorenversicherung~). - -~Die Lebensdauer~ des ~Akkumulators~ hängt in hohem Maße von der Art der -Behandlung ab. Über diese können allgemein gültige Angaben kaum gemacht -werden. Dünne Platten, wie sie für Traktionszwecke benutzt werden, die -mit relativ hoher Stromdichte beansprucht werden, müssen nach 100 bis -200 Entladungen ausgewechselt werden. Planté-Platten haben eine andere -Widerstandsfähigkeit als Faure-Platten. Auch spielt die Art der -Formation eine wichtige Rolle; eine zu stark beschleunigte Formierung -scheint die Lebensdauer ungünstig zu beeinflussen. - -Werden bei der Formation dem Elektrolyten Chemikalien zugesetzt, die -Blei chemisch angreifen, so kann es leicht vorkommen, daß in den Platten -geringe Mengen dieser Substanzen zurückbleiben und in die -Akkumulatorensäure gelangen. Das Blei des Trägers wird im Laufe der Zeit -„angefressen‟, so daß die mechanische Festigkeit immer kleiner wird. - -Die Lebensdauer der positiven Platten ist durch die Zeit gegeben, bis zu -welcher das Blei der Rippen und des Kerns durch Umwandlung in Superoxyd -aufgebraucht wird (s. Lokalaktion, S. 110); die mechanische Festigkeit -der Platten wird geringer und ihr Widerstand größer. Daraus ergibt sich, -daß die Menge des festen Bleies in hohem Grade maßgebend ist für die -Lebensdauer der positiven Platten. - -Bei älteren negativen Platten geht der Bleischwamm langsam in festes, -dichtes Blei über, er schrumpft unter beträchtlicher Volumänderung -zusammen; es bilden sich Risse, und der Zusammenhang zwischen der -Unterlage und der aktiven Masse wird gelockert. Man nennt diese -Erscheinung ~Schrumpfen~, ~Sintern~, ~Verbleiung~. Sie ist natürlich mit -einer Kapazitätsabnahme verbunden, da die Säure nicht mehr in das Innere -eindringen kann. Durch Zusatz gewisser indifferenter Substanzen (z. B. -Koks, Bimsstein) in fein verteiltem Zustande zu dem Breie, den man in -die Gitter schmiert, soll das Sintern verhindert bezw. verlangsamt -werden (s. S. 136). - -Durch zu starke Beanspruchung der negativen Platten wird das Schrumpfen -beschleunigt. Daher dürfte ein weiteres Mittel, dem Verbleien -vorzubeugen, darin bestehen, die Kapazität der Bleischwammplatten von -vornherein größer zu wählen als die der positiven Elektroden. - -Vor allem muß sich jeder, der Akkumulatoren benutzen will, mit den -Vorgängen im Akkumulator und mit seinen Eigentümlichkeiten genau bekannt -machen und sich von vornherein daran gewöhnen, mit der nötigen Vorsicht -zu Werke zu gehen. - - [107] Siehe Zentralblatt für Akkumulatorentechnik 1907, S. 30 oder E. - T. Z. 1907, S. 611. - - [108] Das betr. Glas ist mit destilliertem Wasser gut auszuspülen. - - [109] Das destillierte Wasser ist auf Chlor zu untersuchen, s. S. 139. - - [110] Alle Zellen mit Ausnahme der Schaltzellen müssen zu gleicher - Zeit und gleichmäßig zur Gasentwicklung gelangen. - - [111] Ist ein Doppelzellenschalter vorhanden, so können - zurückgebliebene Schaltzellen in der Weise nachgeladen werden, daß man - sie zwischen Lade- und Entladehebel nimmt. Durch diese Zellen geht - dann der ganze von der Dynamo abgegebene Strom, der natürlich den - maximalen Ladestrom nicht überschreiten darf. Bei anderen Zellen - wendet man die Überbrückungsmethode an (s. S. 142). - - [112] Zum ~Reinigen der Akkumulatoren~ kann man einen Apparat - benutzen, der zum Absaugen des Schlammes dient. Er besteht aus einer - Luftpumpe und Vakuumkessel, an dem ein Schlauch mit passendem - Bleimundstück angeschlossen ist Man zieht zuerst die Säure ab, saugt - dann den Schlamm ab und füllt wieder ein. Das Herausnehmen der Platten - ist also überflüssig. - - - - -Achtes Kapitel. - -Der alkalische Akkumulator. - - -An den Bleiakkumulatoren wird als ein Nachteil getadelt, daß sie ein im -Vergleich zu ihrer Leistung großes Gewicht haben. Dieses ist in erster -Linie bedingt durch das hohe spezifische Gewicht und das große -elektrochemische Äquivalent des Bleies. Auch der Umstand, daß Blei ein -weiches Metall ist, wäre hier zu erwähnen. Der Träger der aktiven Masse -muß nämlich aus Blei bestehen, die Platten müssen, damit sie genügend -fest sind, eine ziemlich große Dicke haben. Endlich ist der -Bleiakkumulator auch deshalb ein schwerer Akkumulator, weil der -Elektrolyt in verhältnismäßig großer Menge vorhanden sein muß. Denn die -Säure ist an dem chemischen Umsatze beteiligt, so daß man gezwungen ist, -pro Amperstunde eine gewisse Säuremenge zu verwenden. Wird die Säure -knapp bemessen, so sinkt ihre Dichte während der Entladung stark; dies -hat zur Folge, daß der innere Widerstand größer und die -elektromotorische Kraft kleiner wird. Nimmt man wenig, aber ziemlich -stark konzentrierte Säure, so wird die Sulfatierung begünstigt und die -Lebensdauer verringert. Das Gewicht der Säure beträgt bei stationären -Akkumulatoren etwa 20% des Gesamtgewichtes. Was das Gewicht der Platten -anbelangt, so kann man durch Verringerung der Dicke das Verhältnis -zwischen Leistung und Gewicht wesentlich verbessern. Eine derartige -Steigerung der Leistung pro Kilogramm Zellengewicht wird aber nur auf -Kosten der Lebensdauer erkauft. Nach E. ~Sieg~[113] haben Zellen der -Kölner Akkumulatorenwerke für Traktionszwecke (Automobile), die ca. 30 -Wattstunden pro Kilogramm geben, als mittlere Lebensdauer nur ca. 100 -Entladungen. - -Es gibt nun zwei Möglichkeiten, einen leichteren Akkumulator zu -konstruieren, nämlich erstens Metalle zu verwenden, deren spezifisches -Gewicht und elektrochemisches Äquivalent kleiner ist als bei Blei[114], -zweitens das Elektrodenmaterial und den Elektrolyten so zu wählen, daß -der Elektrolyt bei Stromzufuhr und Stromentnahme seine Konzentration -nicht ändert. - -Nach beiden Richtungen hin sind von zahlreichen Erfindern schon seit -mehr als 20 Jahren Versuche angestellt worden. - - Verdünnte Schwefelsäure hat folgende wertvolle Eigenschaften: 1. sie - leitet den elektrischen Strom sehr gut (natürlich im Vergleich zu - anderen Elektrolyten), 2. sie verändert sich an der Luft nicht, 3. sie - bleibt in dem Gefäße, in dem sie sich befindet, sie kriecht nicht, wie - es viele andere Lösungen tun, an den Wänden langsam empor. Will man an - der Verwendung der verdünnten Schwefelsäure für einen Sammler - festhalten, so hat man unter den Metallen keine große Wahl, da sich - die meisten bezw. ihre Oxyde in diesem Elektrolyten lösen. - -Beachtung verdient hier vor allem das ~Kupferoxyd-Zink~-Element -(Lalande, Edison, Wedekind), das als Vorläufer des Edison-Akkumulators -bezeichnet werden kann. Als Elektrolyt dient Natron- oder Kalilauge. Das -Kupferoxyd verliert während der Entladung seinen Sauerstoff, das Zink -geht als Zinkhydroxyd in Lösung. Das entstandene poröse und schwammige -Kupfer nimmt an der Luft, besonders wenn es erhitzt wird, Sauerstoff -auf. - -Wir wenden uns jetzt zu dem Hauptgegenstande dieses Kapitels, nämlich zu -dem ~Edison-Akkumulator~. ~Darrieus~[115] beschäftigte sich vor etwa 18 -Jahren schon mit der Herstellung eines Akkumulators, bei dem an Stelle -des schweren Bleies andere Metalle und als Elektrolyt Kali- oder -Natronlauge benutzt werden sollten. Unter den Metallen, die er aufzählt, -befinden sich auch Eisen, Nickel, Kadmium. Im Jahre 1899 wurde dem -Schweden ~Jungner~ ein Patent erteilt, das sich auf einen alkalischen -Akkumulator mit Silber- und Kupferelektroden bezieht. Die Versuche -erstreckten sich aber auch auf Eisen, Nickel und Kadmium. Es sind etwas -mehr als 8 Jahre her, als Dr. Kenelly die Aufmerksamkeit der ganzen Welt -auf eine neue Erfindung Edisons lenkte, nämlich auf ein Element, das -nach den Nachrichten, die zu uns gelangten, berufen zu sein schien, dem -biederen Bleiakkumulator den Todesstoß zu versetzen. Die ersten Zellen, -die D-Zellen, kamen i. J. 1903 nach Europa. Aber sie wurden schon nach -kurzer Zeit vom Markte zurückgezogen. Später wurde die Fabrikation der -H-Zellen in großem Maßstabe aufgenommen, auch in Berlin (Deutsche -Edison-Akkumulatoren-Company). Diese wird im Folgenden ausführlich -besprochen werden. - -Edison hatte sich die Aufgabe gestellt, einen Akkumulator herzustellen, -der nicht nur pro Wattstunde ein geringeres Gewicht als der -Bleiakkumulator haben sollte, sondern auch gegen schlechte Behandlung -unempfindlich sein sollte. Inwiefern es Edison gelungen ist, dieses -Ziel zu erreichen, werden wir später sehen. - -~Vorgänge in der Edison-Zelle.~ Die wirksame Masse der positiven -Elektrode besteht aus Nickelhydroxyd, Ni(OH)₂, dem etwa 20% eines -flockigen Graphits zugesetzt werden. Der Graphitzusatz bewirkt nicht nur -eine Verbesserung der Leitfähigkeit der aktiven Masse, sondern er -verhindert auch ein Aufschwemmen der Masse bei der Ladung; in erster -Linie aber soll seine Bedeutung darin liegen, daß er trotz der starken -Pressung der Masse (s. unten) eine gewisse Porosität gewährleistet. Als -negatives Elektrodenmaterial wird Eisenhydroxyd verwendet, dem ca. 10% -Quecksilberoxyd beigemischt werden. Letzteres dient dazu, die -Leitfähigkeit der Masse zu verbessern, und soll dazu beitragen, die -Zelle gegen starke Stromstöße unempfindlich zu machen. Welche Vorgänge -sich in der Zelle bei Stromdurchgang abspielen, steht noch nicht mit -Sicherheit fest. Nach ~Elbs~[116] wird das Eisenhydroxyd durch -Wasserstoff zu Eisen reduziert, während Nickelhydroxyd durch OH -(hervorgegangen aus OH-Ionen) auf eine höhere Oxydationsstufe gebracht -wird. Die Vorgänge, die sich bei der Ladung und Entladung abspielen, -kann man durch die Gleichung darstellen: - -Fe(OH)₂ + 2Ni(OH)₂ ⇄ Fe + 2Ni(OH)₃. - -Der Effekt ist also ein solcher, als ob bei der Ladung zwei OH von der -negativen zur positiven Elektrode wanderten, und umgekehrt bei der -Entladung. Elbs fand auch, daß die elektromotorische Kraft von der -Konzentration der Lauge abhängig ist. Nach der obigen Reaktionsgleichung -ist die Kalilauge (21%) an dem chemischen Umsatze nicht beteiligt. -~Förster~[117] wies aber nach, daß die Kalilauge nach der Entladung -weniger Wasser enthält als am Ende der Ladung. Es scheint demnach, als -ob die vorige Gleichung die Vorgänge nicht genau wiedergäbe. (Möglich -wäre es allerdings, daß Wasserstoff und Sauerstoff von dem -Elektrodenmaterial absorbiert werden.) - -J. ~Zedner~ hat unter Leitung von Prof. ~Dolezalek~[118] Untersuchungen -über den ~Eisen-Nickel-Akkumulator~ angestellt. Er fand, daß die -positive Elektrode im geladenen Zustande Ni(OH)₃, im entladenen Zustande -Ni(OH)₂.2H₂O enthält. Während der Entladung wird also dem Elektrolyten -Wasser entzogen. Dem entsprechend müßte die elektromot. Kraft von der -Konzentration der Lauge abhängig sein, was auch in der Tat der Fall ist. -Die Entladung erfolgt in zwei Stufen; zuerst wird das Nickelhydroxyd in -Hydroxydul umgewandelt; die zweite Stufe beruht auf der Verbindung des -Sauerstoffs mit Wasserstoff, der während des Ladens von der wirksamen -Masse und zwar zumeist von dem ihr beigemischten Graphit eingeschlossen -wurde. - -~Roloff~[119] ist der Ansicht, daß außer der von Elbs angegebenen -Reaktion noch eine andere stattfindet, wie der stufenweise erfolgende -Abfall des Potentials der Eisenelektrode beweise. Das Ni(OH)₂, das auf -den entladenen Platten ist, hat keine grüne Farbe. Er fand, daß Ni(OH)₂ -schwarz wird, wenn es Wasser addiert, z. B. ist das Hydrat Ni(OH)₂.2H₂O -schwarz. - -Nach der Reaktionsgleichung kommen auf 1 Atom Eisen, das oxydiert wird, -2 Atome Nickel, die an dem Umsatze beteiligt sind; dem entsprechend ist -bei Edison die Zahl der Nickelektroden eine doppelt so große wie -diejenige der Eisenelektroden. - -Da die Kalilauge an dem Umsatze nicht beteiligt ist, so kann der Abstand -zwischen den Elektroden sehr klein gemacht werden. Dies ist auch aus dem -Grunde von Wert, weil die Anzahl der Platten, um eine bestimmte -Kapazität zu erreichen, eine große sein muß. Die Nickel- und Eisenmasse -nämlich leiten den Strom sehr schlecht, wahrscheinlich ist auch ihre -Porosität wegen des hohen Druckes, dem sie bei der Fabrikation -ausgesetzt werden, eine sehr geringe; der chemische Umsatz ist aber, -obschon der Elektrolyt nicht an ihm beteiligt ist, nur dort möglich, wo -die aktive Masse mit der Lauge in Berührung ist. Die Umwandlungen -erfolgen daher nur in einer außerordentlich dünnen Oberflächenschicht. -Man muß also eine verhältnismäßig große Anzahl von Platten benutzen, um -eine gewünschte Kapazität zu erhalten. Die Ersparnis an Elektrolyt, die -man durch das nahe Zusammenrücken der Platten erzielt, wird, wie man -leicht einsieht, dadurch wieder z. T. illusorisch, daß man die Anzahl -der Platten vergrößern muß. - -~Konstruktion der Edison-Zelle.~ Die positive aktive Masse gewinnt -Edison dadurch, daß er aus einer Nickelnitratlösung durch -Magnesiumhydroxyd das grüne Nickelhydroxydul, Ni(OH)₂ fällt; dieses wird -durch Chlor zu Nickelhydroxyd Ni₂(OH)₆ oxydiert. Die negative Masse wird -aus Eisenoxyd hergestellt, über dieses wird bei etwa 250° lange Zeit -trockener Wasserstoff geleitet, das Fe₂O₃ wird in Fe₃O₄ umgewandelt. - -[Illustration: Fig. 26.] - -Die Konstruktion der positiven und negativen Elektroden stimmt, -wenigstens bei der H-Type, überein. Das aktive Material, dem Graphit -bezw. Quecksilberoxyd (s. oben) zugesetzt wird, wird von kleinen Taschen -(77 mm × 13 mm) aufgenommen, die aus dünnem, vernickeltem Eisenblech -hergestellt werden[120]. Dieses ist perforiert, damit der Elektrolyt -Zutritt hat; auf 1 cm² kommen fast 300 Löcher. Eine größere Anzahl -dieser Taschen wird in ein Gitter aus vernickeltem Stahlblech eingesetzt -(s. Fig. 26). Die Platte wird dann sehr stark gepreßt, so daß die -Taschen fest und mit gutem Kontakte in dem Rahmen sitzen. In einer -zweiten Presse werden die Taschenwände in der Querrichtung gewellt. Die -Platten haben oben einen mit einer runden Öffnung versehenen Ansatz. -Durch diese wird beim Einbau ein Eisenbolzen geschoben; zwischen je 2 -Platten wird eine Eisenscheibe gelegt, um den richtigen Abstand zu -erhalten und zu sichern. Platten und Scheiben werden durch Schrauben an -den Enden der Bolzen gegeneinander gedrückt. Der Bolzen trägt einen -vertikalen Eisenstab, den Polbolzen (s. Fig. 27). Wie schon bemerkt, -enthält die Zelle doppelt so viele Nickelelektroden wie Eisenelektroden, -die Reihenfolge ist also: Nickel, Eisen, Nickel; Nickel, Eisen, Nickel -usw. Zur Isolierung der Platten verschiedenen Potentials gegeneinander -dienen Hartgummistäbe. - -[Illustration: Fig. 27.] - -Der Plattensatz kommt in eine vierkantige Kanne aus vernickeltem -Eisenblech, das, um seine Festigkeit zu erhöhen, gewellt ist (s. Fig. -27); er ist gegen den Boden der Kanne durch Hartgummiprismen isoliert -und gegen die Seitenwände durch dünne Hartgummiformstücke. Die Zelle -wird durch einen Deckel verschlossen, durch den die beiden Polbolzen -hindurchgehen, die durch übergeschobene Hartgummibüchsen und -Weichgummiringe gegen den Deckel isoliert sind. Der Deckel ist mit einer -Füllöffnung und einem Ventil versehen, durch das die bei der Ladung in -großer Menge sich bildenden Gase entweichen; es ist so eingerichtet, daß -die mitgerissenen Teilchen des Elektrolyten zurückgehalten werden. - -Der Elektrolyt soll stets ca. 12 mm über Oberkante der Platten stehen. -Den richtigen Stand der Kalilauge konstatiert man mit Hilfe eines -Glasrohres mit kleiner Ausflußöffnung, das man wie eine Pipette benutzt. -Sinkt der Stand der Flüssigkeit unter das vorgeschriebene Maß, so ist -destilliertes Wasser nachzufüllen. - -[Illustration: Fig. 28.] - -Vor einiger Zeit hat Edison die Nickelelektrode wieder anders gestaltet. -Die Taschen haben eine runde Form erhalten (s. Fig. 28). Sie sind aus -spiralig gewundenem, fein gelochtem Stahlband gefertigt und werden mit -Hilfe von Stahlringen außerordentlich verstärkt. Das Nickelhydroxyd -wird nicht mehr mit Graphit sondern mit Nickelflocken vermischt, auch -soll etwas Wismutoxyd beigemengt werden. Der Kaliumlösung wird eine -geringe Menge von Lithium zugesetzt. Die Gasentwickelung soll bei der -neuen Type (Type A) geringer[121] und die Leistung bei gleichem Gewichte -etwa 25% höher[122] sein als bei der H-Type. - -Die ~Edison-Zelle im Betriebe~. Die elektromotorische Kraft der -geladenen Zelle beträgt etwa 1,5 Volt. Wird sie mit der normalen -Stromdichte, d. h. derjenigen, die der 3¾-stündigen ~Entladung~ -entspricht, beansprucht, so beträgt, wie man aus der Fig. 29 ersieht, -die anfängliche Klemmenspannung etwas weniger als 1,4 Volt, gegen Ende -der Entladung etwa 1,15 Volt. Im Mittel beläuft sich die Nutzspannung -auf 1,23 Volt. Sie ist noch geringer, wenn mit stärkerem Strome entladen -wird. - -[Illustration: Fig. 29.] - -Die Stromstärke bei der normalen ~Ladung~, die auch rund 3¾ Stunde -dauert, ist größer als die Entladestromstärke; z. B. wird die Type H₂₇ -mit 45 Amp. entladen und mit 65 Amp. geladen. Wie die Klemmenspannung -verläuft, ist aus der Fig. 29 zu ersehen. Nach etwa 3⅓ Stunden hat also -die Spannung den Wert 1,8 Volt; man soll dann noch 30-40 Minuten weiter -laden. Da die Zelle schon kurz nach Beginn der Ladung gast (daher der -niedrige Wirkungsgrad) und die Konzentration des Elektrolyten nur sehr -wenig schwankt, so ist es, wenn man ein Voltmeter nicht benutzt, nicht -möglich, anzugeben, wann das Ende der Ladung nahe ist. Am besten lädt -man dann mit vorgeschriebener Stromstärke und hört nach 3¾ Stunden auf; -allerdings vergeudet man, wenn die Batterie nicht erschöpft war, unter -Umständen viel Energie. -- - -Vor Beginn der Ladung soll man sich von dem Stande des Elektrolyten -überzeugen und ev. nachfüllen. Ein Zusatz von Wasser ist nach jeder -zweiten oder dritten Ladung nötig. Die Konzentration der Lauge nimmt -langsam ab, da durch die Gase trotz des Ventils kleine Partikelchen des -Elektrolyten mitgerissen werden; nach ca. 300 Entladungen soll der -Elektrolyt erneuert werden. Die mitgerissenen Laugeteilchen sammeln sich -auf dem Deckel und „bilden im Laufe der Zeit einen weißlichen, -kristallinischen Niederschlag, der durch gelegentliches Reinigen mit -einem Tuch oder Pinsel entfernt wird‟ (~Kammerhoff~ l. c. S. 43). - -~Wirkungsgrad~ und ~Nutzeffekt~, die wie beim Bleiakkumulator von der -Stromstärke und der zwischen Ladung und Entladung liegenden Zeit -abhängig sind, haben ziemlich niedrige Werte; sie werden bei 3¾stdg. -Ladung und Entladung zu 72% und 52% angegeben. Die ~Kapazität~ ist viel -weniger von der Entladezeit abhängig als beim Bleiakkumulator. Sie -nimmt übrigens im Laufe der Zeit ab; diese Abnahme ist abhängig von der -Beanspruchung; nach etwa 600 Entladungen mit stark schwankendem -Stromverbrauch, wie er beim Elektromobilbetrieb vorkommt, ist die -Kapazität um etwa 15% gesunken. - -~Vergleich zwischen Blei- und Edison-Akkumulator.~ Die Endspannung -bei dem Edison-Akkumulator sei 1,15 Volt, beim Bleiakkumulator ist -sie 1,8 Volt. Für eine 110 Volt-Anlage sind also 110:1,15 = 96 -Eisen-Nickel-Zellen, dagegen nur 110:1,8 = 61 Bleiakkumulatoren -erforderlich. Weiterhin folgt, daß die Anzahl der mit dem Zellenschalter -zu verbindenden Elemente bei Verwendung von Edison-Zellen bedeutend -größer ist als bei Benutzung von Bleiakkumulatoren. Was die Überwachnung -und Wartung anbelangt, so sind diese, soweit es sich um stationäre -Anlagen handelt, für Bleiakkumulatoren einfacher als für -Edison-Zellen[123], besonders wenn erstere in Glasgefäße eingebaut sind. -Andererseits hat aber die Edison-Zelle manche Vorzüge vor ihrem älteren -Rivalen voraus; vor allem ist sie gegen Überanstrengung, sei es daß -diese in zu weitgetriebener Entladung, z. B. bis zu 0,5 Volt Spannung, -oder in Entnahme anormal starken Stromes besteht, fast ganz -unempfindlich; ferner kann die Zelle im entladenen Zustande lange -stehen, ohne daß sie Schaden leidet, und daher ist das oft höchst -lästige Nachladen, das bei Bleiakkumulatoren erfolgen muß, wenn die -Batterie längere Zeit nicht benutzt wird, überflüssig; endlich sind zu -erwähnen die große mechanische Festigkeit, verbunden mit der -Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, und der feste Halt der wirksamen -Masse. - -Diese Eigenschaften sind in manchen Fällen so wertvoll, daß man die -Mängel gern mit in den Kauf nimmt. Das Hauptgebiet, das sich der -Edison-Akkumulator zu erobern gedenkt, ist das Elektromobil. Hier -spielen das Gewicht pro Einheit der Leistung und die Raumbeanspruchung -eine maßgebende Rolle. Wir wollen zusehen, welcher von den beiden -Akkumulatoren in dieser Hinsicht den Vorzug verdient. Dem schon mehrmals -erwähnten Buche von ~Kammerhoff~ entnehme ich, daß die Type H₂₇, d. h. -die H-Type mit 27 normalen Platten, für jedes Kilogramm Totalgewicht 24 -Wattstunden leistet[124]; unter Totalgewicht ist das Gewicht der -kompletten Zelle inkl. Holzträger zu verstehen. Der Berechnung liegt -3¾stündige Entladung zugrunde. In einem Vortrage von ~Roloff~ findet man -die Angaben, daß man erhält - - bei einem stationären Bleiakkumulator pro 1 kg Gew. 8 W-Std., - „ „ transportablen[125] „ „ „ „ 32,5 „ , - -5stündige Entladung vorausgesetzt. Will man unparteiisch urteilen, so -muß man bei dem transportablen Bleiakkumulator auch 3¾stünd. Entladung -annehmen. Die dieser Zeit entsprechende Kapazität kann zu 5-6% geringer -angenommen werden als die bei 5stündiger Entladung; auch ist zu -berücksichtigen, daß die mittlere Klemmenspannung etwas kleiner ist. Auf -keinen Fall aber bedeutet der Edison-Akkumulator, wenn es sich um -transportable Zellen handelt, die in 3-4 Stunden entladen werden sollen, -einen Fortschritt hinsichtlich einer Gewichtsverringerung[126]. - - ~Peters~[127] gelangt zu der Ansicht, daß der Edison-Akkumulator in - keiner Hinsicht mit dem Bleiakkumulator konkurrieren könne. - ~Graefenberg~ findet, daß der Edison-Akkumulator 16-18 Wattstunden pro - 1 kg Gesamtgewicht leiste. - -Die Zahlen ändern sich aber zugunsten der Edison-Zelle, wenn es sich um -schnelle Entladungen handelt, indem nämlich die Kapazität der Bleizelle -in viel höherem Maße von der Entladedauer abhängig ist als diejenige der -Edison-Zelle. Auch spricht die Lebensdauer ein wichtiges Wort mit, und -diese dürfte bei Bleiakkumulatoren, die 25-30 Wattstunden pro 1 kg -Gewicht leisten, keine besonders große sein; wie es in dieser Hinsicht -mit den Edison-Zellen bestellt ist, darüber fehlen noch unparteiische -Angaben. - -Was die Raumbeanspruchung anbelangt, so hat der Bleiakkumulator von -vornherein einen Vorsprung, weil er eine viel höhere mittlere Spannung -hat als die Edison-Zellen (Verringerung der Zellenzahl). ~Kammerhoff~ -berechnet, daß die Type H₂₇ bedarf - - bei 3¾stdg. Entladung pro 1 Kilowattstd. 31,17 l, - „ 1¼ „ „ „ 1 „ 35,07 l; - -angenommen ist, daß je 6 Zellen in einen Holzkasten eingebaut sind. Für -eine Bleizelle, die für Elektromobilbetrieb bestimmt ist, wird -angegeben, daß ohne Holzkasten erforderlich sind - - bei 5stdg. Entladung pro 1 Kilowattstd. 13,08 l, - „ 1 „ „ „ 1 „ 25,46 l. - -Nach ~Roloff~ sind für transportable Bleizellen 12 l pro Kilowattstunde -und für die Edison-Zelle 19 l erforderlich. Auch hier fragt es sich, ob -die Raumverringerung nicht auf Kosten der Lebensdauer erkauft ist. - - Die Angaben, die man über die Lebensdauer der für Elektromobilbetrieb - bestimmten Batterien findet, widersprechen sich. Während ~Joly~ in dem - (a. S. 160) zitierten Aufsatze behauptet, daß der Bleiakkumulator - 3000-3500 Meilen leiste, die Edison-Zelle aber nur 2500 Meilen, - berechnet ~Kammerhoff~ (l. c. S. 152), daß die Lebensdauer des - Bleiakkumulators im günstigsten Falle 9750 Wagenkilometern und - diejenige einer um etwa 30% leistungsfähigeren Edison-Batterie 54000 - Wagenkilometern entspreche. Natürlich sind auch die Preise für die - Batterien in Rechnung zu setzen. Übernimmt die Fabrik gegen Zahlung - einer gewissen Summe, sei es pro Jahr oder sei es pro Wagenkilometer, - die volle Unterhaltung (inkl. Erneuerung der Platten), so spielt die - Lebensdauer für den Besitzer des Wagens keine Rolle, und es treten - dann die früher erörterten Faktoren um so mehr in den Vordergrund. - -Ein definitives Urteil über den Wert des Eisen-Nickel-Akkumulators kann -noch nicht gefällt werden; man muß berücksichtigen, daß er erst einige -Jahre alt ist, während der Bleiakkumulator auf eine etwa 25jährige -Vergangenheit zurückblicken kann, während deren an seiner -Vervollkommnung Tausende von Theoretikern und Praktikern gearbeitet -haben. Einstweilen kann der Edison-Akkumulator nur in einigen -beschränkten Anwendungsgebieten mit dem Bleiakkumulator erfolgreich -konkurrieren. - -Der ~Zink-Nickel-Sammler~ ist einstweilen nur von theoretischem -Interesse und soll nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Analog -wie die Nickelplatten des Edison-Akkumulators lassen sich Masseplatten -aus Zink herstellen. Der Masse wird Graphit und Pottasche zugesetzt, -ersterer verhindert, daß der bei der Ladung sich bildende Zinkschwamm -zusammensintert, die Pottasche löst sich, und es bilden sich Hohlräume, -die beim Quellen der Masse Platz gewähren. - - [113] E. T. Z. 1905 S. 301. - - [114] Letzteres ist für zweiwertiges Blei 103,2, für zweiwertiges - Nickel nur 29,3. - - [115] S.: A. ~Kammerhoff~. Der Edisonakkumulator. Berlin, 1910. - - [116] E. T. Z. 1905, S. 756. - - [117] Zeitschr. für Elektrochemie 1908, Nr. 21. - - [118] Zeitschr. für Elektrochemie 1906, S. 463 oder E. T. Z. 1906, S. - 999. - - [119] E. T. Z. 1905, S. 756. - - [120] Aus der aktiven Masse werden kleine Briketts von etwa 1 mm Dicke - hergestellt. - - [121] Siehe Elektrische Kraftbetriebe und Bahnen, 1910, Nr. 23 - (Kammerhoff) oder E. T. Z. 1910, S. 404. - - [122] Siehe The Electrical Times, 1910 (17. Nov.). - - [123] Man vergleiche die Vorschriften über Ladung, Entladung usw. - - [124] Für die neueste Type werden 30 Wattstunden pro 1 kg Totalgewicht - angegeben. Siehe E. T. Z. 1910, S. 404. - - [125] Ohne Holzkasten oder dgl. - - [126] Über die neueste Type (s. S. 159) liegt noch zu wenig - Beobachtungsmaterial vor. - - [127] E. T. Z. 1908, S. 1232. - - [128] Zentralblatt für Akkum. u. Galvanotechnik 1908, S. 49. - - - - -Neuntes Kapitel. - -Die Verwendung der Akkumulatoren. - - -Die Verwendung der Akkumulatoren ist eine so vielseitige, daß es ganz -ausgeschlossen ist, sie in diesem kleinen Werkchen auch nur einigermaßen -erschöpfend zu behandeln. - -1. Am wichtigsten ist die ~Verwendung~ der Akkumulatoren ~in -elektrischen Anlagen~. Wir beschränken uns hier auf den einfachsten -Fall, nämlich auf die ~Zweileiteranlage~, bei der die Batterie parallel -zur Dynamo geschaltet wird. Machen wir uns zunächst klar, welchen -~Nutzen~ die Verwendung ~der Akkumulatoren~ gewährt. Eine Lampe brennt -nur dann ruhig, wenn die Potentialdifferenz zwischen den -Zuleitungsdrähten konstant ist. Bei reinem Maschinenbetrieb ist es aber -ganz unmöglich, in einer Anlage mit stark schwankendem Konsum die -Klemmenspannung der Dynamo konstant zu halten[129]. Ist nun eine -Akkumulatorenbatterie parallel zur Dynamo geschaltet, so werden durch -sie die Schwankungen ausgeglichen, so daß die Lampen ein gleichmäßiges -Licht ausstrahlen. Ja, man kann, wenn man Akkumulatoren zu Hilfe nimmt, -Kraftmaschinen benutzen, die an und für sich nicht sehr regelmäßig -laufen, z. B. Wasserräder. Sodann ermöglichen die Akkumulatoren eine -ökonomische Ausnutzung der Maschinen. Bekanntlich nämlich arbeiten -Dampfmaschinen und Dynamos mit dem günstigsten Wirkungsgrade, wenn sie -voll belastet sind. Ist nun der Konsum gering, so kann die Dynamo Strom -an die Batterie abgeben; wird die Netzbelastung so groß, daß ~eine~ -Dynamo zu stark belastet sein würde und ~zwei~ zu schwach, so gibt die -Batterie so lange Strom ab, bis es sich lohnt, die zweite Dynamo in -Betrieb zu setzen. In den frühen Morgen- und späten Abendstunden ist die -Energieabgabe der Zentrale meistens so gering, daß eine Dynamomaschine -verhältnismäßig schwach belastet sein würde. Man überträgt dann der -Batterie die Stromlieferung. Hierdurch wird nicht nur eine nicht -unbedeutende Ersparnis an Betriebsmaterial, sondern auch eine einfachere -und billigere Bedienung ermöglicht. - -Bei kleineren Anlagen können die Akkumulatoren im Sommer die Speisung -der Lampen usw. eventuell ganz übernehmen. - -Die stete Bereitschaft der Akkumulatoren kann endlich unter Umständen -von großem Nutzen sein (Reparaturen an Maschinen usw.). Durch die -Batterie wird also die ~Betriebssicherheit~ bedeutend ~erhöht~, sie -bildet die letzte, aber durchaus zuverlässige Reserve. - -Der Umstand, daß sich die Spannung des Akkumulators sowohl während der -Entladung als auch besonders während der Ladung ändert, bedingt die -Anwendung eines besonderen Apparates, des ~Zellenschalters~. Da während -der Entladung die Klemmenspannung der Elemente langsam sinkt[130], so -muß man, wenn die Spannung in der Zentrale möglichst auf konstanter -Höhe gehalten werden soll, von Zeit zu Zeit eine der in der Reserve -stehenden Zellen zu den bereits an der Stromlieferung beteiligten -hinzuschalten. Bei 110 Volt z. B. genügen bei Beginn der Entladung etwa -55 Elemente, ist die Spannung jeder Zelle bis zu 1,97 Volt gesunken, so -fehlen ca. 1,8 Volt, so daß die Zelle Nr. 56 hinzugeschaltet werden -muß. Da man bis zu etwa 1,8 Volt entlädt, so sind 61 Zellen -erforderlich[131], von denen die 6 letzten als Schaltzellen dienen. -Diese werden natürlich nicht so stark beansprucht wie die Elemente 1 bis -55. Wird nun geladen, so fangen die Schaltzellen früher an zu gasen und -müssen abgeschaltet werden. - -[Illustration: Fig. 30.] - -Derjenige Apparat, der es ermöglicht, nach Bedarf Zellen ab- oder -hinzuzuschalten, ist der ~Zellenschalter~. Das Prinzip desselben soll an -der Hand der Fig. 30 erläutert werden. Die 6 letzten Zellen der Batterie -sind mit I, II bis VI bezeichnet und durch Drähte mit den Kontaktstücken -_c_₁ bis _c_₆ des Zellenschalters verbunden. Diese und ebenso der -drehbare Schleifkontakt _H_ sind auf einer gut isolierenden Unterlage -montiert. Die Nutzleitung ist mit dem positiven Pole der letzten Zelle -und mit dem Hebel verbunden. Befindet sich _H_ in der Lage _1_, so -fließt der Strom durch die Nutzleitung, die Lampen _L_, nach _a_, über -_c_₂ zum negativen Pole der Schaltzelle _II_. Die mit _III_ bis _VI_ -bezeichneten Elemente sind also an der Stromlieferung nicht beteiligt. -Dreht man _H_ in die Lage _2_, so sind alle Zellen eingeschaltet. - -Soll der Strom während des Hinzu- oder Abschaltens einer Zelle nicht -unterbrochen werden, so muß der Hebel _H_ den folgenden Kontakt schon -berühren, bevor er den vorhergehenden verläßt. - -Liegt nun _H_ beispielsweise zugleich auf _c_₂ und _c_₃, so ist die -Zelle _III_ kurz geschlossen; denn ihr positiver Pol ist durch die nach -_c_₂ und _c_₃ gehenden Verbindungsdrähte, durch den Hebel und die beiden -erwähnten Kontaktstücke mit dem negativen Pole verbunden. Durch den -Kurzschluß kann die Zelle Schaden leiden. Um den Übelstand zu -beseitigen, schaltet man zwischen die Kontaktstücke _c_₁, _c_₂ usw. -kleinere Kontaktstücke _a_, _b_, _c_ usw., die sogenannten -Zwischenkontakte, und verbindet, wie es aus der Fig. 31 zu ersehen ist, -die Zwischen- und die Hauptkontakte durch Widerstände _w_. Natürlich -darf jetzt der Schleifkontakt nicht so breit sein, daß er zwei -Hauptkontakte, z. B. _c_₁ und _c_₂, gleichzeitig berührt. - -[Illustration: Fig. 31.] - -Bei der durch unsere Figur angedeuteten Anordnung muß für jede -Schaltzelle ein besonderer Zwischenwiderstand vorgesehen werden. Man -kommt aber mit einem Zwischenwiderstand aus, wenn man den Schleifkontakt -_H_ (Fig. 30) der Länge nach halbiert und die gegeneinander isolierten -Hälften durch einen Widerstand (eine Drahtspirale) miteinander -verbindet. Die Zwischenkontakte _a_, _b_, _c_ usw. der Fig. 31 können -bei dieser jetzt meistens benutzten Anordnung in Wegfall kommen. Um aber -eine ganz ebene Schleiffläche für die Kontaktbürste zu erzielen, legt -man zwischen die Kontaktstücke Scheiben aus Glas oder Schiefer. - -[Illustration: Fig. 32.] - -Ein solcher Einfachzellenschalter ist in Fig. 32 abgebildet. - -~Schaltung.~ In Fig. 33 ist die Parallelschaltung mit -Einfachzellenschalter schematisch dargestellt. Die Batterie kann nicht -gleichzeitig Strom aufnehmen und abgeben. Während der Ladung hat die -Maschine _D_ eine höhere Spannung als die normale, die wir zu 110 Volt -annehmen wollen. Dem Zellenschalterhebel _h_ gibt man eine solche Lage, -daß die Spannung der zwischen ihm und dem Punkte _e_ liegenden Zellen -110 Volt beträgt, die Lampen _L_ also mit normaler Spannung brennen. Der -von der Maschine kommende Strom teilt sich an dem Schleifkontakte _h_ -des Zellenschalters; durch die Zellen, die rechts von dem Schalthebel -(zwischen _h_ und _d_) liegen, fließt also der ganze Maschinenstrom, -durch die anderen Elemente die Differenz zwischen diesem Strome und dem -durch die Lampen gehenden. Die zuerst erwähnten Zellen sind also früher -geladen (auch aus dem Grunde, weil sie bei der Entladung weniger stark -beansprucht wurden). Da sie aber nicht abgeschaltet werden können, so -müssen sie so lange Strom aufnehmen, bis die übrigen Zellen vollgeladen -sind. Dies hat zwei Nachteile; erstens ist hierdurch ein nicht -unbedeutender Arbeitsverlust bedingt, zweitens ist das jedesmalige -Überladen den Elementen schädlich. Daher ist der Betrieb mit -Doppelzellenschalter vorzuziehen. - -[Illustration: Fig. 33.] - -Die Anzahl der Schaltzellen ist bei der Schaltung nach Fig. 33 eine -große. Sind z. B. bei 110 Volt 61 Zellen vorhanden, und rechnen wir als -Endspannung einer Zelle bei der Ladung 2,75 Volt, so dürfen gegen Ende -der Ladung nur 110 : 2,75 = 40 Elemente mit dem Netze verbunden sein; es -müssen also 21 Zellen abschaltbar sein. - -Die Schaltung bei Verwendung eines ~Doppelzellenschalters~ ist in Fig. -34 dargestellt[132]. Der Betrieb gestaltet sich folgendermaßen: - -a) Die Batterie und die Dynamo _D_ geben Strom ab (Parallelbetrieb). -Der Hebel _v_ des Umschalters liegt auf dem Kontakte _2_, hat also -die in der Figur angedeutete Lage; der Entladehebel _c_₁ des -Doppelzellenschalters wird so lange gedreht, bis die Spannung der -zwischen _B_ und _c_₁ liegenden Zellen gleich ist der Klemmenspannung -der Maschine. Diese wird gemessen, wenn man den Hebel des -Voltmeterumschalters auf den mit _3_ bezeichneten oder auf den zur -Leitung _4_ (oder _5_) zugehörigen Kontakt legt[133]. Ob die Batterie -Strom abgibt oder aufnimmt, erkennt man an dem Stromrichtungszeiger _R_, -der aus einer durch den Strom abgelenkten Magnetnadel besteht. - -[Illustration: Fig. 34. - -_D_ = Dynamo, _E_ = Automatischer Schwachstromschalter, _B_ = -Bleisicherung, _A_₁, _A_₂ = Ampermeter, _V_ = Voltmeter, _R_ = -Stromrichtungsanzeiger.] - -b) ~Ladung.~ _v_ liegt auf _1_; die Meßleitung _5_ steht also jetzt mit -dem Ladehebel in Verbindung. Ehe die Maschine auf die Batterie -geschaltet wird, muß sie bis zu einer Spannung erregt werden, die etwas -höher ist als die Spannung der Batterie (siehe auch S. 94). Die -Maschinenspannung bei geöffnetem Stromkreise (der Schwachstromautomat -_E_ ist noch nicht eingeschaltet) wird gemessen, wenn man den Hebel des -Voltmeterumschalters auf den Kontakt der Leitung _4_ legt; die -Batteriespannung erhält man, wenn man _c_ auf das Kontaktstück der -letzten Zelle dreht und das Voltmeter mit der Leitung _5_ verbindet. Der -Maschinenstrom fließt durch die zwischen _c_ und _c_₁ liegenden Zellen -und teilt sich bei _c_₁, indem ein Teil durch den Entladehebel nach den -Lampen _L_, ein Teil durch die links von _c_₁ liegenden Zellen geht. -Natürlich muß _c_₁ so gedreht werden, daß die Spannung der zuletzt -erwähnten Elemente 110 Volt beträgt. - -~Feststellung der richtigen Type.~ Es ist von Wichtigkeit, daß man bei -einer solchen Anlage die richtige Akkumulatorentype wählt. Um diese zu -erhalten, bestimmt man die verlangte Leistung in Amp.-Stdn. -- sie sei -_Q_ -- und die höchste vorkommende Entladestromstärke. Der Akkumulator -muß so bemessen werden, daß er mit dem Strome _J_ beansprucht werden -darf und seine Kapazität auch bei Entladung mit dem Strome _J_ -mindestens gleich _Q_ ist[134]. Natürlich wählt man im Zweifel lieber -eine zu große Type. - -~Pufferbatterien.~ Batterien, die den Zweck haben, die Stöße, die durch -starke und schnell wechselnde Belastungsschwankungen auf die Maschinen -ausgeübt werden, von den letzteren fernzuhalten, nennt man -Pufferbatterien. Ihre Verwendung gewährt also den Vorteil, daß die -Belastung der Dynamo eine gleichmäßigere und daher ihre Lebensdauer und -ihr Wirkungsgrad höher sind; ferner wird die Betriebssicherheit erhöht. -Von Wichtigkeit ist auch, daß, wenn eine Pufferbatterie projektiert -wird, die Maschinenanlage nicht dem nur für kurze Zeit vorhandenen -maximalen Strome, sondern dem mittleren Konsume zu entsprechen braucht. -Besonders bei elektrischen Bahnanlagen finden solche Batterien -ausgedehnte Verwendung. Hier -- zumal bei kleiner Anzahl der Wagen -- -können größere Belastungsänderungen durch das Halten und Anfahren der -Wagen und durch stärkere Steigungen verursacht werden. Die -Pufferbatterie soll, wenn die Klemmenspannung der Dynamo, mit der sie -parallel geschaltet ist, bei stärkerer Zunahme der Netzstromstärke _J_ -abzufallen beginnt (Ankerrückwirkung), Strom in die Leitung schicken und -Strom aufnehmen, wenn _J_ unter den normalen Betrag sinkt. Könnte die -Batterie ihre Aufgabe in vollkommener Weise erfüllen, so würden Dynamo -und Dampfmaschine stets gleichmäßig belastet sein und mit dem -günstigsten Wirkungsgrade arbeiten. - -Soll die Batterie nur die Belastungsschwankungen ausgleichen, so gibt -sie im Laufe eines Tages ungefähr so viel Strom ab, wie ihr zugeführt -wird; wählt man die Batterie so groß, daß sie im Notfalle eine oder -mehrere Maschinengruppen vertreten kann, oder regelmäßig bei schwachem -Konsume den Strombedarf deckt, so wird sie zur ~Kapazitätsbatterie~. - -Das Verhalten einer Pufferbatterie während des Betriebes erfordert ein -eingehendes Studium, da eine ganze Reihe von Momenten zu berücksichtigen -ist; hier können nur einige Andeutungen Platz finden. Daß die Dynamo mit -konstantem Strome arbeitet, ist ganz ausgeschlossen. Denn wenn das der -Fall wäre, so wäre ihre Klemmenspannung ebenfalls konstant, und dann -könnte die Batterie weder Strom aufnehmen noch Strom abgeben. Die -Spannung der Dynamo ~muß~ sich also mit der Belastung ändern. Wenn z. B. -der Verbrauchsstrom wächst, so muß zunächst die Klemmenspannung der -Dynamo abfallen, diese aber sinkt erst dann, wenn die Maschine einen -stärkeren Strom abgibt[135]. - -Die Pufferwirkung ist, was die Batterie anbelangt, abhängig von dem -Spannungsabfall bei Stromabgabe und von dem Spannungsanstieg bei -Stromzufuhr, und zwar nicht nur dem dem inneren Widerstande -entsprechenden, sondern vor allem dem durch die Änderung der -elektromotorischen Kraft verursachten. Dieser letztere Teil hängt von -der Stromdichte und der Geschwindigkeit ab, mit der sich die -Konzentration der Säure in den Poren der wirksamen Masse ändert, also -von der Plattenkonstruktion und von der Porosität der aktiven Masse. -Auch die Dauer der Entladung und der Ladezustand der Zellen spielen eine -Rolle. Eine Zelle, die fast bis zur Gasentwicklung geladen ist, verhält -sich, wenn man zur Entladung übergeht, anders wie eine Zelle, die nahezu -erschöpft ist[136]. Bei größerer Stromaufnahme steigt die -Klemmenspannung eines ~Akkumulators~ schnell, mag das Element fast -entladen oder nahezu voll geladen sein (man vergleiche die Kurve Fig. 35 -mit derjenigen in Fig. 7 a. S. 81). - -[Illustration: Fig. 35.] - - Am ungünstigsten dürften die Verhältnisse liegen, wenn sich an eine - Periode schwachen Konsums, in der die Batterie Strom aufnimmt, sofort - eine Periode stärkeren Stromverbrauchs, verbunden mit Stromabgabe - seitens der Batterie, anschließt; denn es wird dann in ganz kurzer - Zeit auch bei geringer Stromabgabe die Zellenspannung stark abfallen. - -Soll die Batterie dauernd ihre Kapazität behalten, so muß sie in jeder -Woche (nach den Vorschriften der Akkum. Fabr. Akt.-Ges.) zweimal -mindestens mit ihrer halben Kapazität beansprucht werden, außerdem muß -sie täglich bis zu 2,75 Volt pro Zelle geladen werden. Sieht man von -dieser umständlichen Behandlung ab, so erfolgt geringe Sulfatierung, die -Batterie wird dann in irgend einem Bedarfsfalle nicht die volle -Kapazität abzugeben in der Lage sein, jedoch immer noch allen -praktischen Anforderungen gerecht werden. - -Die Entladung darf mit der der einstündigen Beanspruchung entsprechenden -Stromstärke geschehen. Die Kapazitäts-Batterie soll möglichst oft zur -Arbeitsleistung herangezogen werden und täglich morgens vor Beginn des -Maschinenbetriebes und abends nach Stillsetzen der Maschinen zur -Stromabgabe benutzt werden. - -Um die Pufferwirkung, die an und für sich wegen der schnellen -Änderungen der elektromotorischen Kraft nicht in befriedigender Weise -erfolgt, zu erhöhen, hat man besondere Schaltungen ersonnen. Eine -häufig angewandte Anordnung besteht in der Verwendung der ~Piranischen -Pufferzusatzmaschine~. Diese wird durch einen Elektromotor angetrieben -und hat 2 Magnetwicklungen. Die eine, mit hohem Widerstande, ist mit den -Polen der Akkumulatorenbatterie verbunden, die zweite, von geringem -Widerstand, ist einem vom Netzstrome durchflossenen Widerstande parallel -geschaltet. Die beiden Ströme wirken im entgegengesetzten Sinne -magnetisierend. Der normale Netzstrom sei J und der augenblickliche J¹. -Ist J = J¹, so heben sich die beiden Erregerströme auf, die -Zusatzmaschine entwickelt keine Spannung, und der Akkumulator gibt -keinen Strom ab. Ist J¹>J, so hat die Maschine eine Spannung, die sich -zu derjenigen der Batterie addiert, so daß sie Strom abgibt, etc. - -Auch bei ~Drehstrom~ gelangen Akkumulatorenbatterien zum Puffern -zuweilen zur Anwendung[137]. Man kann an das Netz einen Motorgenerator, -d. h. einen Drehstrommotor, der eine Gleichstrommaschine antreibt, oder -einen Drehstrom-Gleichstrom-Umformer anschließen. Die Gleichstromseite -ist mit einer Batterie parallel geschaltet. Wenn nun in der Zentrale die -Umdrehungszahl der Drehstromdynamo sinkt, so sinkt auch diejenige des -Motors bezw. Umformers, die Gleichstrommaschine hat niedrige Spannung -und die Batterie gibt Strom ab. Der Umformer wird durch Gleichstrom -angetrieben und wirkt als Drehstromgenerator, d. h. er gibt Strom an das -Netz ab. Umgekehrt nimmt die Batterie Strom auf, wenn sich die -Umdrehungszahl der Motordynamo erhöht. Die Anordnung ist besonders dann -am Platze, wenn der Kraftbedarf sehr stark schwankt, wie es z. B. bei -Fördermaschinen in Bergwerken der Fall ist. - -~Umwandlung der Spannung.~ Bei großen elektrischen Anlagen benutzt man -zuweilen auch Akkumulatorenbatterien, um die hohe Netzspannung in -niedrigere Gebrauchsspannung umzuwandeln. Nehmen wir z. B. an, daß man -Bahnstrom von 600 Volt einer an der Bahnstrecke gelegenen Gemeinde für -die Speisung von Lampen von 110 Volt zuführen will. Man kann dann an dem -betreffenden Orte etwa 220 Zellen, die in Reihe geschaltet sind, durch -den Bahnstrom direkt oder durch eine Motordynamo laden, die durch den -Bahnstrom angetrieben wird. Bei der Entladung bildet man aus der großen -Batterie Gruppen, die parallel geschaltet werden. - -~Akkumulatorenwagen~ für Bahnbetrieb. In den letzten Jahren sind wieder -vielfach Versuche mit Akkumulatoren-Triebwagen gemacht worden. Diese -sollen dem Zwecke dienen, auf Haupt- und Nebenbahnen, wo ein genügendes -Bedürfnis vorhanden ist, einen Zwischenverkehr neben den großen -durchgehenden Hauptzügen zu ermöglichen (Vorortverkehr, Anschluß an -Stationen, wo Schnellzüge halten usw.). Nach dem Entwurf des Geheimen -Baurats ~Wittfeld~ sind für die preußischen Staatsbahnen -Akkumulatoren-Doppelwagen[138] ausgeführt worden. Ein solcher besteht -aus zwei kurzgekuppelten zweiachsigen Einzelwagen, von denen jeder in -einem Vorbau mit einer Achse eine Akkumulatorenbatterie enthält. Diese -besteht aus 168 Zellen mit 368 Amp.-Stdn. Kapazität. Die Wagen können -ca. 100 km mit voller Belastung zurücklegen. Lötverbindungen sind -vermieden, so daß man die einzelnen Teile (Hartgummikästen) leicht -herausnehmen kann (Akk.-Fabrik, Akt.-Ges.). Auf pfälzischen Bahnen sind -seit längerer Zeit mit Akkumulatorenwagen so günstige Erfahrungen -gemacht worden, daß eine größere Anzahl von Wagen in Auftrag gegeben -wurde. - -~Elektromobile.~ An die Batterien für Elektromobile werden besondere -Anforderungen gestellt: Möglichst geringes Gewicht pro Einheit der -Leistung, ohne daß die Lebensdauer zu sehr herabgesetzt wird (siehe S. -164), große Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Erschütterungen, die -während der Fahrt oft recht stark sein können, Unempfindlichkeit gegen -Überlastungen (Anfahren etc.), möglichst geringe Raumbeanspruchung. Für -jede Tonne Gewicht, das zu bewegen ist, ist eine gewisse Zugkraft nötig -(13-30 kg), die man als Traktionskoeffizient bezeichnet. Dieser hängt -von verschiedenen Umständen ab: von der Bereifung (Vollgummi, Pneumatik, -Eisen), von dem Totalgewichte selbst, vor allem von der Beschaffenheit -und dem Zustande der Straßen. Ein Personen-Elektromobil erfordert etwa 3 -PS. bei 20 km Geschwindigkeit einschl. Energie-Verlust im Motor und -Kontroller, der durchschnittlich etwa 25% beträgt. Da schon geringe -Steigungen recht hohe Anforderungen an die Batterie stellen, so sind in -bergischen Gegenden Elektromobile nicht am Platze. Sie kommen -einstweilen nur für Städte in Frage. (Näheres siehe ~Kammerhoff~ l. c. -S. 116, ferner seien hervorgehoben die Arbeiten von E. ~Sieg~ in der E. -T. Z. 1905, S. 311 und in E. T. Z. 1906, S. 1017.) - - ~Sieg~ weist nach, daß der Akkumulator für Elektromobile pro 1 kg - Gewicht mindestens 30 Wattstunden leisten muß, wenn er bei den - üblichen Geschwindigkeiten von 25-30 km in der Stunde die geringsten - Betriebskosten fordern soll. Die Platten werden in der früher - beschriebenen Weise durch gewellte Hartgummischeiben oder - Holzbrettchen gegeneinander isoliert. Die übliche Zellenzahl ist - 40-44, entsprechend 110 Volt Endspannung bei der Ladung. Die - Akkumulatoren werden in Holzkästen untergebracht. Der Antrieb erfolgt - am besten durch die Vorderräder; die Motoren werden entweder - unmittelbar mit dem Rade gekuppelt oder in dieses eingebaut, oder man - kann den Motor durch Zahnradübersetzung auf die Räder wirken lassen. - -Auch bei Automobilen mit Benzinmotoren finden Akkumulatoren Anwendung -und zwar für die Beleuchtung, die elektrische Huppe, als Zünderzellen -etc. - -Im ~Telegraphenbetrieb~ sind die Akkumulatoren besonders dann den -Primärelementen überlegen, wenn es sich um den Betrieb langer -Kabelleitungen handelt. Bei diesen spielt die elektrostatische Kapazität -eine wichtige Rolle. Bei jedem Zeichen nämlich, das telegraphiert wird, -d. h. bei jedem Stromschluß, muß das Kabel zunächst durch die -Stromquelle geladen werden; die Ladung verläuft aber umso schneller, je -kleiner der innere Widerstand der Batterie ist. Durch Verwendung von -Akkumulatoren wird somit die Telegraphiergeschwindigkeit vergrößert. Bei -vielen Ämtern werden seit Jahren Sammler von 14 Amp.-Stdn. Kapazität -verwendet, die entweder aus Kupferelementen oder aus dem Netz des -Elektrizitätswerkes geladen werden. - -Im ~Telephonbetrieb~ haben sich Akkumulatoren als Stromquellen -für die Vermittlungsämter und bei dem Vielfachsystem mit -Zentralbatteriebetrieb[139] gut bewährt. Dagegen scheinen ausgedehnte -Probeversuche, den Akkumulator als Stromquelle für die Mikrophone bei -den einzelnen Sprechstellen zu verwenden, nicht zu einem befriedigenden -Resultate geführt zu haben, indem die wegen des Mangels einer -- kaum -durchzuführenden -- genügenden Überwachung der einzelnen Elemente häufig -vorkommende Sulfatierung der Platten und die damit verbundene -Schwierigkeit der Ladung große Unterhaltungskosten verursachen[140]. - - Am besten dürften sich für Telephonbetrieb Akkumulatoren mit - Masseplatten bezw. Faureplatten eignen, da bei diesen die - Selbstentladung während der Ruhepausen geringer ist als bei - Großoberflächenplatten und daher auch die Gefahr, daß Sulfatierung - erfolgt (s. S. 111). - -Sogenannte ~Kleinakkumulatoren~ finden zahlreiche Verwendungen, von -denen noch folgende hervorgehoben seien: Beleuchtung von Lampen in -Wagen, tragbare Lampen (Taschenlampen, Handlampen), Beleuchtung von -Treppen, Antrieb von kleinen Ventilatoren usw. - -~Verwendung der Akkumulatoren im Laboratorium~ (Lehrzwecke, -therapeutische Zwecke etc.). Bei sachgemäßer Behandlung bilden die -Akkumulatoren eine Stromquelle, die allen Anforderungen in bester Weise -genügt; sie sind stets betriebsbereit, die Bedienung und Kosten sind im -Vergleich zu Primärelementen außerordentlich gering, man kann längere -Zeit nahezu konstanten und starken Strom entnehmen. Versagt ein -Akkumulator frühzeitig, so ist der Grund fast immer in Fehlern zu -suchen, die bei der Behandlung gemacht worden sind; vor allem wird oft -gegen die Vorschriften gesündigt, daß eine gewisse Stromstärke bei der -Entladung nicht überschritten werden darf, daß die Entladung nur bis zu -einem gewissen Punkte getrieben werden darf und daß zwischen Entladung -und Ladung nur eine kurze Zeit liegen soll. - -Am besten werden Glaszellen verwendet, damit man das Innere besichtigen -kann. Werden die Elemente bald hier, bald dort verwendet, so stellt man -sie in mit Griffen oder Tragriemen versehene Holzkästen, deren Höhe etwa -⅔ der Höhe der Zelle beträgt, oder bei denen die Vorder- und Hinterwand -zum Teil herausgenommen sind, wie es die Fig. 36 zeigt. - -[Illustration: Fig. 36.] - -Damit man die Spannung leicht ändern kann, befestigt man an einer Seite -des Kastens ein Schaltbrettchen, dessen Kontaktstücke mit den Polen der -einzelnen Zellen verbunden sind. Durch Stöpsel, die man in die zwischen -den Kontaktstücken befindlichen Löcher schiebt, kann man die Schaltungen -vornehmen, z. B. kann man bei 4 Zellen auf 2, 4 und 8 Volt schalten. Zu -beachten ist, daß man nicht durch falsche Stöpselung Kurzschluß -herstellt. Bequemer ist die Verwendung eines ~Pachytrops~, einer -Einrichtung, bei der die verschiedenen Schaltungen durch Drehen einer -Walze oder eines Rades vorgenommen werden; die Herstellung von -Kurzschluß ist ausgeschlossen. In Fig. 37 ist eine Batterie aus 12 -Elementen, wie sie von ~Kohl~ in Chemnitz in den Handel gebracht wird, -abgebildet. Die auf der Pachytropwalze schleifenden federnden -Kontaktstreifen sind mit den Polen der Elemente durch Drähte verbunden, -die durch Klemmen festgehalten werden, so daß man jedes einzelne -Element zwecks Besichtigung leicht aus dem Kasten heben kann. - -[Illustration: Fig. 37.] - -Für kleine Batterien, die nur selten ganz entladen werden, sind -Faure-Platten (als positive und negative) den Großoberflächenplatten -vorzuziehen, da bei ersteren die Selbstentladung und daher auch die -Gefahr, daß Sulfatierung eintritt, geringer ist als bei letzteren. Zu -beachten ist auch, daß die Zellen zuweilen ganz entladen werden müssen -(s. Kap. 7). Werden die Akkumulatoren oft transportiert, so fällt leicht -aktive Masse heraus, durch die ein Kurzschluß bewirkt werden kann. Es -empfiehlt sich daher, bei solchen Zellen den Plattenabstand reichlich -groß zu wählen. - -Für viele Untersuchungen, z. B. über die Bewegung der Elektrizität durch -Gase, sind ~Hochspannungsbatterien~ die besten Stromquellen, weil sie -bei der geringen erforderlichen Stromstärke den Elektroden der Röhre -lange Zeit konstante Spannung zuführen. Größere Verbreitung hat die -Hochspannungsbatterie nach ~Feußner~[141] gefunden. In einem auf Rollen -laufenden starken Eichenschrank befinden sich 500 kleine Elemente mit je -einer positiven und einer negativen Elektrode. Als Glasgefäß dienen -Pulverflaschen. Damit keine Säure herauskriechen und Nebenschlüsse -herstellen kann, werden die Gläser mit einer Harzschicht luftdicht -zugegossen; für die bei der Ladung auftretenden Gase wird ein besonderer -Austrittsweg (Glasröhrchen) vorgesehen. Die die einzelnen Gruppen (25 -Elemente) tragenden Bretter ruhen auf 4 Porzellanglocken. Zwei -Schaltleisten aus Hartgummi mit Hartgummigriffen gestatten mit einem -Handgriff Parallelschaltung der Batterie zur Ladung mit 125 Volt oder -Hintereinanderschaltung auf 1000 Volt vorzunehmen. Die Kapazität beträgt -ca. 1 Amperstunde bei 0,1 Amp. Entladestrom. - - * * * * * - -Am Schlusse dieses Kapitels sei noch hervorgehoben, daß der -Bleiakkumulator selbst ein interessantes Versuchsobjekt ist. Es seien -folgende Versuche und Arbeiten erwähnt: Änderung der elektromot. Kraft -am Anfang und gegen Ende der Ladung und Entladung, Bestimmung der -Kapazität, Abhängigkeit der Kapazität von der Säuredichte, Ermittelung -des Wirkungsgrades und des Nutzeffektes, Änderung der elektromot. Kraft -mit der Säuredichte und der Temperatur (s. S. 42). Bei verschiedenen -dieser Arbeiten muß eine genaue ~Messung der elektrom. Kraft~ -vorgenommen werden. Dieser wichtigen Aufgabe sollen noch einige Worte -gewidmet werden. In den meisten Fällen erhält man die gesuchte Größe mit -hinreichender Genauigkeit, wenn man die Klemmen des nicht belasteten -Akkumulators mit einem empfindlichen Voltmeter für kleine Spannungen -verbindet. Da aber solche Voltmeter einen Strom von 1/20-1/10 Amp. -verbrauchen, so macht sich bei kleinen Zellen schon die -Konzentrationspolarisation bemerkbar. Am einwandfreiesten ist die -~Kompensationsmethode nach Poggendorff~, bei der die elektromot. Kraft -bestimmt wird, ohne daß die Zelle Strom abgibt. Das Prinzip dieser -Methode ist folgendes: Es sei _B_ in Fig. 38 eine Batterie von 2 kleinen -Akkumulatoren, _W_ ein Widerstand von 4000 Ohm, _a c_ ein Widerstand von -6000 Ohm, _X_ ein Normalelement, dessen elektromotorische Kraft E_{n} -man genau kennt. Die Batterie gibt, wenn die Gleichgewichtsbedingung -erfüllt ist, d. h. wenn durch den Nebenkreis _a X G d_ kein Strom -fließt, einen Strom von E/10000 Amp. ab, wo E ihre elektrom. Kraft ist. -Mithin beläuft sich der Spannungsverlust in _a c_ auf 6000.E/10000 = -0,6.E Volt (angenähert auf 2,4 Volt). Da auf jeden Fall die elektrom. -Kraft des Normalelementes kleiner ist als 0,6.E, so gibt es zwischen _a_ -und _c_ einen Punkt _d_, so daß der dem Batteriestrom entsprechende -Spannungsabfall von _a_ bis _d_ gleich E_{n} ist. Hat man diesen Punkt -gefunden, so fließt durch das Galvanoskop _G_ kein Strom. Der Widerstand -zwischen _a_ und _d_ betrage W_{n} Ohm, dann ist E_{n} = W_{n}.E/10000 -Volt. - -[Illustration: Fig. 38.] - -Jetzt wird das Normalelement durch den Akkumulator ersetzt, dessen -elektrom. Kraft man messen will, und man sucht wieder einen Punkt -zwischen _a_ und _c_ so, daß _G_ stromlos ist; dieser sei _d′_. Der -Widerstand in _a d′_ betrage _W′_ Ohm, damit ist X = W′.E/10000. -Dividiert man diese Gleichung durch die vorige, so ergibt sich X = -E_{n}.W′/W_{n}. - -In Wirklichkeit wird _G_ mit _C_ verbunden und man variiert die -Potentialdifferenz zwischen _a_ und _c_. Zu diesem Zwecke ersetzt man -den Widerstand _a c_ durch einen Stöpselrheostaten und ändert diesen so -lange, bis durch _G_ kein Strom fließt. Selbstverständlich müssen jetzt -die vorigen Gleichungen etwas umgeändert werden. - -Zwischen den Punkten _a_ und _c_ muß ein großer Widerstand liegen, damit -es ausgeschlossen ist, daß das Normalelement einen stärkeren Strom -abgibt. Solche Elemente dürfen nämlich nur mit ganz schwachem Strome -(etwa 0,0001 Amp.) beansprucht werden. Dadurch, daß man auch für _W_ -einen Widerstand von mehreren tausend Ohm wählt, erreicht man, daß der -Spannungsabfall in _a c_ der zu messenden elektrom. Kraft nahe kommt und -daß, bevor die elektrom. Kraft E_{n} kompensiert ist, nur ein ganz -schwacher Strom in das Element gelangen kann. - - [129] Von dem Spannungsverluste in dem Netze wird abgesehen. - - [130] Auch ist die Klemmenspannung von der Stromdichte abhängig. Diese - Änderung wird im Folgenden der Einfachheit halber nicht - berücksichtigt. - - [131] In Wirklichkeit ist die Zahl etwas größer, da der - Spannungsverlust in der Leitung gedeckt werden muß. - - [132] In der schematischen Figur ist angenommen, daß die beiden - Zellenschalter getrennte Apparate sind, so daß für jede Schaltzelle - zwei Verbindungsleitungen nötig sind. In Wirklichkeit werden die - beiden Zellenschalter zu einem Apparate vereinigt; sie haben - gemeinsame Kontaktstücke, auf denen die beiden Hebel schleifen. Man - nennt einen solchen Apparat ~Doppelzellenschalter~. - - [133] Ist die Maschine abgeschaltet, so wird durch das Voltmeter bei - der gezeichneten Stellung der Hebel die Spannung der an der - Stromlieferung beteiligten Elemente gemessen. - - [134] Das von ~Peukert~ (E. T. Z. 1907, S. 705) angegebene Verfahren - dürfte nur in vereinzelten Fällen anwendbar sein. - - [135] Mit der Frage, in welchem Umfange die Dynamo an den - Belastungsschwankungen beteiligt ist, hat sich ~Brandt~ beschäftigt. - Siehe E. T. Z. 1899, S. 730. - - [136] Nach ~Brandt~ (l. c.) ist die Pufferwirkung am günstigsten, wenn - die Zellenspannung 2,07 Volt beträgt. - - [137] E. T. Z. 1906, S. 314. - - [138] E. T. Z. 1908, S. 89 u. S. 943, ebendaselbst 1910, S. 272. - - [139] Bei diesem System werden die einzelnen Sprechstellen vom - Vermittlungsamte aus über die Anschlußleitungen mit Strom versorgt. - - [140] Näheres siehe E. T. Z. 1904, S. 838. - - [141] E. T. Z. 1899 S. 632. - - - - -_Otto Wigand, Verlagsbuchhandlung m.b.H., Leipzig_ - - - RITTERS - GEOGRAPHISCH- - STATISTISCHES - LEXIKON - - über die Erdteile, Länder, Meere, Häfen, Seen, - Flüsse, Inseln, Gebirge, Staaten, Städte, - Flecken, Dörfer, Bäder, Kanäle, Eisenbahnen, - Post- und Telegraphenämter u.s.w. - -Ein Nachschlagewerk über jeden geographischen Namen der Erde von -irgendwelcher Bedeutung für den Weltverkehr - - Neunte, revidierte Auflage 1910 - Zwei Halbleder-Bände M. 50.-- - -[Illustration] - -Das hinsichtlich seiner Reichhaltigkeit und Genauigkeit nicht zu -übertreffende Werk enthält in etwa 400 000 Artikeln auf 2700 Seiten alle -wichtigen geographischen und statistischen Notizen, alle Postämter, -Telegraphenämter, Land- und Seeverbindungswege, Gerichtsbehörden, -Import, Export, Handelsstatistiken u.s.w. Es ist ein unentbehrliches -Nachschlagewerk für jeden Geographen, Statistiker, Volkswirtschaftler -und -- last not least -- für jeden Kaufmann. - - Eine wertvolle, unerläßliche Ergänzung - zu jedem Konversations-Lexikon - - -Otto Wigand, Verlagsbuchhandlung m.b.H., Leipzig - - Vom gleichen Verfasser erschien bei mir: - - DER ELEKTRISCHE STROM - UND SEINE WICHTIGSTEN ANWENDUNGEN - - GEMEINVERSTÄNDLICHE DARSTELLUNG VON - PROFESSOR DR. W. BERMBACH IN KÖLN - - ~Dritte~, umgearbeitete und stark vermehrte ~Auflage~ - - 38 Bogen mit 237 Abbildungen. Preis geheftet M. 7.--, gebunden M. 8.50 - - -=Inhalt:= I. Arbeit und Energie. II. Magnetismus. III. Grundbegriffe der -Elektrizitätslehre. IV. Das Ohmsche Gesetz, Anwendungen desselben. V. -Stromverzweigungen, Serien- und Parallelschaltung der Stromabnehmer. VI. -Stromarbeit, Watt, Stromwärme (Joulesche Wärme). VII. Wechselwirkungen -zwischen Strömen und Magneten, Elektromagnetismus. VIII. Einwirkung -zweier Ströme aufeinander, Elektrodynamik. IX. Induktionserscheinungen. -X. Wechselströme. XI. Dynamomaschinen. XII. Elektromotoren. XIII. -Transformatoren und Umformer. XIV. Grundbegriffe der Elektrochemie, -Theorie der galvanischen Elemente und der Elektrolyse. XV. Anwendungen -der Elektrochemie. XVI. Elektrizität in Gasen. XVII. Elektrische -Schwingungen und elektromagnetische Wellen, Funkentelegraphie. XVIII. -Elektromagnetische Telegraphie und Telephonie. XIX. Elektrische -Kraftübertragung und elektrische Beleuchtung. XX. Thermoelektrizität. -XXI. Elektrische Meßinstrumente. Anhang: Das absolute Maßsystem. - - -Verlag von R. Oldenbourg, München u. Berlin - -_=Die Elektrotechnik.=_ (Band II der „Illustrierten Technischen -Wörterbücher in sechs Sprachen‟: Deutsch, Englisch, Französisch, -Russisch, Italienisch, Spanisch.) Bearbeitet von =Alfred Schlomann=, -Ingenieur. 2112 Seiten mit etwa 4000 Abbild. und zahlreichen Formeln, -etwa 15 000 Worte in jeder der 6 Sprachen enthaltend. In Lwd. gebd. -Preis M. =25.--=. - -_=Deutscher Kalender für Elektrotechniker.=_ Begründet von =F. -Uppenborn=. In neuer Bearbeitung herausgegeben von =G. Dettmar=, -Generalsekretär des Verbandes Deutscher Elektrotechniker. Zwei Teile, -wovon der erste Teil in Brieftaschenform (Leder) gebd. Erscheint -alljährl. Preis M. =5.--=. - -_=Lehrgang der Schaltungsschemata elektrischer Starkstromanlagen.=_ -Unter Mitwirkung seines Assistenten Diplom-Ingenieur =W. Fels= -herausgegeben von Professor Dr. =J. Teichmüller=, Karlsruhe. - - I. Teil: =Schaltungsschemata für Gleichstromanlagen=. 25 - lithographische Tafeln und 103 Seiten Text. In Leinwand gebunden Preis - M. =10.--=. - - II. Teil: =Schaltungsschemata für Wechselstromanlagen=. 28 - lithographische Tafeln mit 170 Seiten Text. In Leinwand gebunden Preis - M. =12.--=. - - Ausführliche Prospekte über obige sowie andere neue elektrotechnische - Werke stehen kostenlos zur Verfügung. - - Druck: Otto Wigand m. b. H., Leipzig. - - - - -Anmerkungen zur Transkription - - - Die Inkonsistenzen im Originalwerk sind beibehalten worden. - - Seite 37, 2), 3) usw.: die Nummer 1) fehlt im Originalwerk. - - Seite 165, Fußnote [128]: auf der Seite 165 des Originalwerkes gibt es - keine Fußnotenzeichen; das Zeichen fehlt deshalb auch in diesem Text. - - - Durchgeführte Änderungen und Verbesserungen - - Klare Fehler in Rechtschreibung, Interpunktion usw. sind - stillschweigend korrigiert worden. - - Einige Tabellen sind umgeordnet worden. - - In chemische Formel, Prozente, usw. wurden eventuelle Leerzeichen - entfernt. - - Seite Original Korrigiert - - Seite 5 van’t Hoff van ’t Hoff - Seite 12, - Gleichung (4) HSO′_{4} HSO_{4}′ - Seite 32 2OH′ + 2⊕ = 2OH 2OH′ + 20⊕ = 2OH - Seite 55 Umkehrung von 10 Umkehrung von I, 10 - Umkehrung von 9 Umkehrung von I, 9 - Seite 83 voraufgegangenen vorausgegangenen - Seite 119 heransgespült herausgespült - Seite 141 Beaumé Baumé - Seite 154 Deutsche Edison- Deutsche Edison- - Akkumulatoren-Compagny Akkumulatoren-Company - Seite 186 _a x G d_ _a X G d_ - - - - - -End of the Project Gutenberg EBook of Die Akkumulatoren, by Willibald Bermbach - -*** END OF THIS PROJECT GUTENBERG EBOOK DIE AKKUMULATOREN *** - -***** This file should be named 51638-0.txt or 51638-0.zip ***** -This and all associated files of various formats will be found in: - http://www.gutenberg.org/5/1/6/3/51638/ - -Produced by Peter Becker, Harry Lamé and the Online -Distributed Proofreading Team at http://www.pgdp.net - -Updated editions will replace the previous one--the old editions will -be renamed. - -Creating the works from print editions not protected by U.S. copyright -law means that no one owns a United States copyright in these works, -so the Foundation (and you!) can copy and distribute it in the United -States without permission and without paying copyright -royalties. 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