Elektromotorische Kraft
Die elektromotorische Kraft (EMK) (engl. Electromotive Force (EMF)), auch als Urspannung bezeichnet, ist die historische Bezeichnung für die Quellenspannung einer elektrischen Spannungsquelle. Man versteht darunter die Fähigkeit eines Systems, eine Spannung zu erzeugen. Der Begriff wurde vor allem im Bezug zu galvanischen Zellen oder für die Induktionsspannung bei elektrischen Maschinen wie Elektromotoren und Generatoren verwendet. Der Begriff beschreibt trotz seiner Bezeichnung keine Kraft im physikalischen Sinn, sondern eine elektrische Spannung.
Geschichte
Der grundsätzliche Zusammenhang von chemisch geleisteter Arbeit in galvanischen Elementen zu Stromenergie, EMK und Kraft wurde durch Arbeiten von Hermann von Helmholtz und W. Gibbs geleistet. Max Le Blanc nutzte zur Standardisierung der elektromotorischen Kraft von galvanischen Elementen die Normallösungen. Le Blanc fand weiter, dass platinierte Platinelektroden reversible Elektroden sind und zur präzisen Messung von Normalpotentialen genutzt werden können, er schlug die mit Wasserstoffgas umspülte Platinelektrode als Standardelektrode vor. Walter Nernst stellte eine Theorie zur EMK-Bestimmung bei verschiedenen Elektrolytkonzentrationen und Temperaturen auf.
Beispiele
Galvanische Zelle
Das Daniell-Element ist ein historisches Beispiel für eine elektrochemische Zelle. Es wird aus einem Zinkstab gebildet, der in die wässrige Lösung eines Zinksalzes taucht und einem Kupferstab, der in die wässrige Lösung eines Kupfersalzes taucht. Beide Halbzellen werden mit Hilfe eines Stromschlüssels, der die Lösung eines Elektrolyten (ges. KCl oder NH$ _{\mathrm {4} } $NO$ _{\mathrm {3} } $) enthält, oder durch ein Diaphragma zu einer galvanischen Zelle kombiniert.
Werden die beiden Metalle durch einen metallischen Leiter verbunden, fließt ein Strom durch das System. Dabei erwärmt sich der Draht. Zink löst sich an der Zink-Elektrode auf, Kupferionen aus der Lösung scheiden sich an der Kupfer-Elektrode ab. Zur Bestimmung der EMK zerteilt man den Draht und schaltet ein Voltmeter zwischen die Drahtenden.
Im Daniell-Element findet an der Anode die Oxidation des Zinks statt.
- $ \mathrm {Zn\longrightarrow Zn^{2+}+2\ e^{-}} $
An der Kathode wird Kupfer reduziert.
- $ \mathrm {Cu^{2+}+2\ e^{-}\longrightarrow Cu} $
Für jede Halbzelle berechnen sich die Halbzellenpotentiale nach der Nernst-Gleichung.
- $ E=E_{0}+{\frac {RT}{z\cdot F}}\cdot \ln \left(a(\mathrm {Me} ^{z+})\right) $
| $ E $ | Potentialdifferenz bzw. elektrische Spannung gegen eine Referenzelektrode [V] |
| $ E_{0} $ | Standard-Potential (nachzuschlagen unter Spannungsreihe) [V] |
| $ T $ | Temperatur [K] |
| $ a(\mathrm {Me} ^{z+}) $ | Aktivität der Metallionen in der Lösung |
| $ F $ | Faraday-Konstante, F = 96485.33 C / mol |
| $ R $ | Universelle oder molare Gaskonstante, R = 8.314472 J / mol K |
| $ z $ | Anzahl der bei dem Potentialausgleich übertragenen Elektronen pro Atom oder Ion |
Zur Berechnung der EMK für die Gesamtreaktion bildet man die Differenz der beiden Halbzellenpotentiale nach
- $ \mathrm {\Delta \ E=E_{Kathode}-E_{Anode}} $
Für das Daniell-Element erhält man für Metallionenkonzentrationen von jeweils 1 mol/l
- $ \mathrm {\Delta \ E=E_{Kathode}-E_{Anode}=E_{Kupfer}-E_{Zink}=1,10V} $
da unter Standardbedingungen (Temperatur 25 °C, Konzentration 1 mol/L, Druck 1 atm) das Halbzellenpotential dem Standard-Potential entspricht.
Jede Halbzelle ist dabei getrennt zu betrachten. Man kann auch eine Halbzelle aus Zinkblech in Zinklösung nutzen um auf elektrochemische Weise Wasserstoff herzustellen. Das Zinkblech wird mit einem Draht verbunden und in Kontakt mit einer Platinelektrode gebracht. Nun taucht man die Platinelektrode in Salzsäure. Es bildet sich Wasserstoffgas.
Zur Eichung bzw. zur richtigen Einstellung von genau 1,000 V EMK wurde in früherer Zeit das Clarkelement (Zink/Zinkpaste/Quecksilbersulfat/Quecksilber) oder das Westonelement benutzt.
Anwendungen
Aus der EMK lässt sich die freie Enthalpie einer Redox-Reaktion berechnen.
- $ \mathrm {\Delta \ G=-\ z\cdot F\cdot \Delta E} $
Hat man die EMK unter Standard-Bedingungen bestimmt, lässt sich so die freie Standard-Reaktionsenthalpie berechnen.
Weiterhin kann mit einer Referenz-Wasserstoffelektrode der pH-Wert bestimmt werden, indem die EMK dazu entwickelter Sonden gemessen wird, wenn sie in die zu messende Flüssigkeit eintauchen. Siehe hierzu zum Beispiel pH-Elektrode. Die EMK ändert sich dabei um 59,16 mV je pH-Änderung um 1, d.h. je Zehnerpotenz der Wasserstoff-Ionenkonzentration, wenn die Messtemperatur von 25 °C eingehalten wird (Nernst-Neigung) [1]. Andere Elektrodensysteme umgehen die schwierige Handhabung der Wasserstoffelektrode zur pH-Wert-Messung [2].
Elektromotoren und Generatoren
Bewegt sich ein elektrischer Leiter quer durch ein Magnetfeld, wird in ihm eine elektrische Spannung induziert; sie ist umso höher, je schneller die Bewegung ist. Dementsprechend induziert der sich im Stator-Magnetfeld drehende Läufer eines Elektromotors oder der magnetische Läufer eines Generators in seinen Wicklungen eine Spannung. Diese induzierte Spannung wird bei Motoren Gegen-EMK genannt. Dabei ist es unerheblich, welche Spannung tatsächlich am Motor bzw. Generator anliegt - die Differenz der beiden Spannungen fällt am Ohmschen Widerstand der Wicklungen ab oder wird durch Leckströme verursacht.
Steigt die Drehzahl eines Gleichstrommotors soweit an, dass die EMK sich der anliegenden Spannung nähert, sinkt die Stromaufnahme und die Drehzahl erhöht sich nicht weiter. Mit Kenntnis der Gegen-EMK eines Gleichstrommotors kann man somit dessen Grenzdrehzahl für eine bestimmte Spannung errechnen.
Die Gegen-EMK eines Gleichstrommotors und auch anderer Motoren kann zu deren Steuerung und Geschwindigkeitsregelung herangezogen werden. Davon wird zum Beispiel bei kleinen permanenterregten Motoren zum Antrieb von Kassetten-Tonbandgeräten Gebrauch gemacht, aber auch bei elektronisch kommutierten Motoren sowie bei modernen Frequenzumrichtern für Asynchronmotoren.
Fremderregte Gleichstrommotoren können durch Feldschwächung in ihrer Drehzahl erhöht werden - die Gegen-EMK erfordert nun eine höhere Drehzahl, um den Wert der Betriebsspannung zu erreichen.
Auch Asynchronmotoren induzieren eine Gegen-EMK - hier induziert das mit dem Kurzschlussläufer umlaufende Magnetfeld in den Statorwicklungen eine Wechselspannung, die der Stromaufnahme entgegen wirkt, wenn der Läufer die Nenndrehzahl erreicht hat.
Die EMK von Schrittmotoren begrenzt deren Dynamik bzw. das Drehmoment bei großen Drehzahlen [3].
Die elektromotorische Kraft ist bei Generatoren nahezu gleich der Leerlaufspannung. Die erzeugte Spannung beziehungsweise die EMK von Generatoren kann durch Verändern der Drehzahl oder des Erregerfeldes verändert werden.
Galvanometer-Antriebe und Lautsprecher
Bei Galvanometer-Antrieben und elektrodynamischen Lautsprechern spielt die Gegen-EMK ebenfalls eine Rolle: sie wirken durch die Massenträgheit ihrer Spulen auf die speisende Spannungsquelle zurück. Ihre EMK wird in der Regel durch den geringen Innenwiderstand der sie treibenden Spannungsquellen kurzgeschlossen, dadurch werden sie bedämpft - ein Nachschwingen oder Überschwinger werden verringert.
Einzelnachweise
Literatur
- Arthur Linker: Elektrotechnische Meßkunde. 3. Auflage. Verlag von Julius Springer, Berlin 1920.
- Max Le Blanc: Lehrbuch der Elektrochemie, Verlag von Oskar Leiner, Leipzig 1922