Worin besteht die Energie, die eine Glühlampe zum leuchten bringt?

[JangoDock]

Hallo,in geselliger Runde haben wir vor kurzem versucht uns an unseren lange zurückliegenden Physikunterricht zu erinnern und zu erklären wie es eine Batterie schafft eine Glühlampe zum Leuchten zu bringen.Soweit sind wir gekommen: Im Normalzustand (Batterie entladen) sind alle Atome in der neutral, haben also gleich viele Protonen und Elektronen. Bei einer geladenen Batterie wurden dieses Gleichgewicht aufgehoben. Einigen Atomen fehlen nun Elektronen und diese sind somit positiv geladen. An anderer Stelle schwirrt ein Überschuss an Elektronen (negative Ladung herum). Je größer dieses Ungleichgewicht, desto größer die Spannung.Ist soweit alles richtig? Hier gibt es schon ein paar Fragen: 1. Schwirren die Elektronen irgendwo frei in der Gegendherum oder wurden diese von anderen Atomen eingefangen? Gibt es also neben den positiven Ionen (Atome mit fehlenden Elektronen) auch negative Ionen (Atome mit überzähligen Elektornen) oder sind die fehlenden Elektronen frei und nicht an andere Atome gebunden?

1. Was hindert die Atome daran sich direkt in der Batterie wieder auszugleichen. Klar, wenn die Batterie zwei Jahre im Schrank liegt entlädt sich diese schleichend. Es scheint also eine Neutralisierung stattzufinden. Aber warum geschieht das so langsam?

2. Sind positiv und negativ geladene Atome in der Batterie räumlich getrennt oder wild durchmischt? Gibt es also quasi zwei Bereiche, einen mit überwiegend positiven Ladungen und einen mit überwiegend Negativen oder schwirrt alles durcheinander?

Soweit zur Batterie. Nun klemmt man an Plus- und Minuspol ein Kabel und setzt in die Mitte ein Glühlämpchen. Dieses leuchtet nun fröhlich vor sich hin. Warum?Die Elektronen wollen gerne zu ihren Atomen zurück und scheinbar ist der Weg durch Kabel und Lampe einfacher als innerhalb der Batterie (Frage 2 und 3). Auf dem Weg durch die Lampe quetschen sich die Elektronen durch den dünnen Glühdraht. Der Widerstand ist hoch und der Draht beginnt zu leuchten. Warum?

1. Warum leuchtet der Glühdraht? Ist das Reibung der hindurch sausenden Elektronen an den Atomen des Glühdrahtes oder was genau erzeugt dort Hitze und Licht?

Nun, aber die Entscheidende Frage:

1. Die Elektronen wandern durch Draht und Lampe vom zurück in die Batterie. In der Batterie kommen also gleich viele Elektronen an, wie diese zuvor verlassen haben. Richtig? Elektronen sind Elektronen. Diese geben keine Ladung ab und werden nicht leichter, etc. Worin genau besteht also die Energie die die Elektronen auf ihrem Weg abgegeben haben? Die Batterie hat ja scheinbar nichts verloren (vorher und nachher gleich viele Elektronen). Die Spannung ist weg weil wieder alles an seinem Platz ist. Trotzdem: Was für Energie wurde in Wärme und Licht umgewandelt?

Vielen Dank für eure erleuchtenden Erklärungen

[Peter_TOO]

Hallo Fragewurm,

1. Schwirren die

Elektronen irgendwo frei in der Gegendherum oder wurden diese
von anderen Atomen eingefangen? Gibt es also neben den
positiven Ionen (Atome mit fehlenden Elektronen) auch negative
Ionen (Atome mit überzähligen Elektornen) oder sind die
fehlenden Elektronen frei und nicht an andere Atome gebunden?

Das hängt sehr von der Chemie der Batterie ab.

Eine Brennstoffzelle ist auch ein Batterie und diese funktioniert chemisch/physikalisch anders als ein Kohle/Zink Element.

• Was hindert die Atome daran sich direkt in der Batterie wieder
  auszugleichen. Klar, wenn die Batterie zwei Jahre im Schrank
  liegt entlädt sich diese schleichend. Es scheint also eine
  Neutralisierung stattzufinden. Aber warum geschieht das so
  langsam?

Langsam?
Das geht von 2 Monaten (NiCd) bis ganz entladen, bis 1-2% Ladungsverlust in 10 Jahren (Lthium).

Ist halt eine Frage der Technologie.

• Sind positiv und negativ geladene Atome in der Batterie
  räumlich getrennt oder wild durchmischt? Gibt es also quasi
  zwei Bereiche, einen mit überwiegend positiven Ladungen und
  einen mit überwiegend Negativen oder schwirrt alles
  durcheinander?

Die sind getrennt.
Da ist .B. das Problem bei NiCd du dem Memory-Effekt.
Es bildet sich ein Grenzschicht, zwischen den beiden Polen, welche je nach Ladezustand wandert. Wird der Akku nur halb entladen und wieder geladen, bleibt eine zusätzliche Grenzschicht in der Mitte stehen. Beim nächsten entladen bleibt dann der Akku an dieser alten Grenzschicht stehen und verhält sich wie ganz entladen Da konnte man mit einer Optimierung der Chemie etwas verbessern und es gibt spezielle Ladeverfahren um dies zu verhindern. Bei modernen NiMh-Akkus hat man dieses Problem nicht mehr. Aber auch hier gab es Verbesserungen. Die einfachen NiMh sind nach ein paar Monaten selbstentladen, moderne behalten einen Teil der Ladung über Jahre.

Soweit zur Batterie. Nun klemmt man an Plus- und Minuspol ein
Kabel und setzt in die Mitte ein Glühlämpchen. Dieses leuchtet
nun fröhlich vor sich hin. Warum?Die Elektronen wollen gerne
zu ihren Atomen zurück und scheinbar ist der Weg durch Kabel
und Lampe einfacher als innerhalb der Batterie

Richtig.

(Frage 2 und
3). Auf dem Weg durch die Lampe quetschen sich die Elektronen
durch den dünnen Glühdraht. Der Widerstand ist hoch und der
Draht beginnt zu leuchten. Warum?

etwas vereinfacht: Die Elektronen stossen mit den Atmen zusammen und verlieren dadurch an Energie an die Atome. Atom die sich aber mehr bewegen, sind wärmer.

• Warum leuchtet der Glühdraht? Ist das Reibung der hindurch
  sausenden Elektronen an den Atomen des Glühdrahtes oder was
  genau erzeugt dort Hitze und Licht?

Der Draht wird auch warm, nicht nur der Glühdraht. Der elektrische Widerstand ist dass Mass für die „Reibung“ der Elektronen im Leiter. In einem dünnen Draht herrscht halt mehr Gedränge als in einem dicken und der dünne Draht selbst kann die Wärme schlechter abgeben als ein dicker. Massgeblich für die Wärmeabgabe ist die Oberfläche des Drahtes.

Licht ist eine Folge der Temperatur.
Bei niederen Temperauren wird Licht nur in Form von IR-Strahlung abgegeben, welche für uns nicht sichtbar ist. Mit zunehmender Temperatur wird dann auch rotes und später auch blaues Licht abgestrahlt.
Deshalb kann man die Lichtfarbe auch als Temperatur angeben.
Eine einfache Glühlampe hat so ab 2’500K, unsere Sonne um die 6’000K
http://de.wikipedia.org/wiki/Farbtemperatur

0 Kelvin = 0°Celsius - 273

• Die Elektronen wandern durch Draht und Lampe vom zurück in die
  Batterie. In der Batterie kommen also gleich viele Elektronen
  an, wie diese zuvor verlassen haben. Richtig?

Richtig.

Elektronen sind
Elektronen. Diese geben keine Ladung ab und werden nicht
leichter, etc. Worin genau besteht also die Energie die die
Elektronen auf ihrem Weg abgegeben haben?

Jetzt kämen die Wellengleichungen :-/

Neben der Ladung haben Elektronen noch andere Eigenschaften:

• Die Geschwindigkeit
• Die Welle, etwas vereinfacht bewegen sich Elektronen nicht einfach linear, sondern sie Schwingen dabei noch.

Das ist vergleichbar mit dem Wasser und dem Mühlrad. Nach dem Ra hast du gleich viel Wasser wie vorher, aber es steckt Energie in der Drehung des Rades. Beim Wasser steckte die Energie in der Schwerkraft und im Höhenunterschied. Da die Energie abgegeben wurde, hüpft das Wasser nicht mehr Bergauf, das ist dann zu schlapp

MfG Peter(TOO)

[j_tilde]

Moin,

Im Normalzustand
(Batterie entladen) sind alle Atome in der neutral, haben also
gleich viele Protonen und Elektronen.

so weit ich weiß, sind Batterien lediglich chemisch reagierende Bauteile (sonderfälle wie die Radionuklidbatterie lass ich mal außen vor). Mit den Bestandteilen des Atomkerns, hier also Protonen, hat das dann nichts zu tun. Das wäre dann Physik.
Manche „Batterien“, genauer Akkus enthalten auch Ionen, also gerade keine elektrisch ungeladenen Teilchen. Der Lithium-Ionen-Akkumulator zB.

Bei einer geladenen
Batterie wurden dieses Gleichgewicht aufgehoben.

Das kann man IMHO so nicht sagen. Eine Batterie muss auch nicht vor Verwendung aufgeladen werden. Für eine Zitronenbatterie brauchst du nur ein paar Dinge aus dem Haushalt und schon fließt ein Strom. Die Einzelteile waren vorher alle im Gleichgewicht!
s.a. http://www.wdr.de/tv/wissenmachtah/bibliothek/zitron…

Einigen
Atomen fehlen nun Elektronen und diese sind somit positiv
geladen. An anderer Stelle schwirrt ein Überschuss an
Elektronen (negative Ladung herum). Je größer dieses
Ungleichgewicht, desto größer die Spannung

Nein. Die Spannung ist davon abhängig, welche Materialien verwendet wurden und ist zudem IMMER gleich. Die ändert sich auch nicht, wenn die Batterie entladen wird (dass sich die nutzbare Spannung uU verändert hat BTW eine andere Ursache)
Welche Spannung zu welchem Material gehört kann man hier sehen. Für eine Batterie braucht man dann zwei verschiedene Stoffe:

http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemische_Spannu…

Sind positiv und negativ geladene Atome in der Batterie
räumlich getrennt oder wild durchmischt? Gibt es also quasi
zwei Bereiche, einen mit überwiegend positiven Ladungen und
einen mit überwiegend Negativen oder schwirrt alles
durcheinander?

Es gibt zwei Stoffe welche dann auch zwei Elektroden bilden. Die eine gibt Elektronen ab („minuspol“) die andere nimmt welche auf („Pluspol“).

3). Auf dem Weg durch die Lampe quetschen sich die Elektronen
durch den dünnen Glühdraht. Der Widerstand ist hoch und der
Draht beginnt zu leuchten. Warum?

Das ist hier beschrieben:
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrischer_Widerstand…
Kurz: die Elektronen, welche den Strom durch den Widerstand bilden stoßen an andere Teilchen im Leiter an und übertragen so Bewegungsenergie. Bewegte Teilchen sind Wärme. Ist die Wärme groß genug wird ein (sehr geringer) Teil der Energie als Licht ausgesandt.

Warum leuchtet der Glühdraht? Ist das Reibung der hindurch
sausenden Elektronen an den Atomen des Glühdrahtes oder was
genau erzeugt dort Hitze und Licht?

Hitze siehe oben, warum der auch Licht aussendet kann ich dir leider nicht sagen.

Die Elektronen wandern durch Draht und Lampe vom zurück in die
Batterie. In der Batterie kommen also gleich viele Elektronen
an, wie diese zuvor verlassen haben. Richtig?

Ja. Mann kann zwar auch dafür sorgen, dass die beschleunigten Elektronen diesen Kreislauf verlassen, aber das wäre dann keine Batterie mehr

Elektronen sind
Elektronen. Diese geben keine Ladung ab und werden nicht
leichter, etc. Worin genau besteht also die Energie die die
Elektronen auf ihrem Weg abgegeben haben?

Die Chemie, also eine chemische Energie ist die Quelle der Energie welche durch die Elektronen transportiert wird. Ein brennendes Stück Holz verwandelt zB auch eine chemische Energie in Licht um!

Die Batterie hat ja
scheinbar nichts verloren (vorher und nachher gleich viele
Elektronen).

Die Lehre der Elementarteilchen ist übrigens immer noch die (Teilchen) physik
Und das spannende (sic!) Effekt in einer Batterie ist ein chemischer, kein physikalischer. Die Physik verändert sich tatsächlich nicht in einer Batterie, aber verlieren tut sie ihre chemische Energie! Dein verbranntes Stück Holz von oben brennt kein zweites mal, die chemische Energie ist dann weg.

Die Spannung ist weg weil wieder alles an seinem
Platz ist.

Wie gesagt, die Spannung ist eine Materialkonstante. Solange die Materialien vorhanden sind, ist sie da und immer gleich.

Trotzdem: Was für Energie wurde in Wärme und Licht
umgewandelt?

chemische.

HTH
J~

---

edit: hab lediglich einen Formatierungs-Bug selbst entfernt J~

[Holzchinese_3a41a6]

Dritte Erklärung

Hier gibt es schon ein paar Fragen:

1. Schwirren die Elektronen irgendwo frei in der Gegendherum oder wurden diese von anderen Atomen eingefangen?
   Sie wurden von anderen Atomen gefangen, die sich jetzt Ionen nennen dürfen.

Gibt es also neben den positiven Ionen (Atome mit fehlenden Elektronen) auch negative Ionen (Atome mit überzähligen Elektornen) oder sind die fehlenden Elektronen frei und nicht an andere Atome gebunden?

Es gibt kein absolutes frei für Elektronen außer sie fliegen in einer Bildröhre durchs Vakuum und dann sind sie auch nicht frei, weil sie dem elektrischen Feld folgen. Es gibt stärkere und schwächere Bindungen, also Superkleber und Klettband. Zum Atomkern hin werden die Bindungen in den Schalen stärker.

Was hindert die Atome daran sich direkt in der Batterie wieder auszugleichen.

Ein neues Energielevel: Stelle Dir mal das vor rollst eine Kugel eine Berg mit 100m Höhe hoch und nach dem Gipfel wieder einen Meter runter. Damit hast Du also 99m Höhenenergie und einen stabilen Zustand. Wenn Du die Batterie entlädst, hast Du eine Rutsche, die seitlich am Gipfel vorbei 99m nach unten geht.

Klar, wenn die Batterie zwei Jahre im Schrank liegt entlädt sich diese schleichend. Es scheint also eine Neutralisierung stattzufinden. Aber warum geschieht das so langsam?

Jede Batterie hat einen Innewiderstand, also einen internen Verbraucher, je höher der Widerstand ist, um so langsamer entlädt sich die Batterie.

Sind positiv und negativ geladene Atome in der Batterie räumlich getrennt oder wild durchmischt?

Räumlich getrennt.

Gibt es also quasi zwei Bereiche, einen mit überwiegend positiven Ladungen und
einen mit überwiegend Negativen

Ja das sind die Elektroden.

Soweit zur Batterie. Nun klemmt man an Plus- und Minuspol ein Kabel und setzt in die Mitte ein Glühlämpchen. Dieses leuchtet nun fröhlich vor sich hin. Warum?

Das wurde bereits sehr gut erklärt.

[falken]

zur Strahlung ( Licht )
Hallo J~,
schön erklärt, aber Du lässt die Herkunft des Lichtes im Dunkel
Dabei ist es leicht zu beschreiben, jedenfalls oberflächlich:
Laut dem Planck’schen Strahlungsgesetz sendet jeder schwarze Körper ( auch die Glühwendel ist annähernd ein solcher ) abhängig von seiner Temperatur eine elektromagnetische Strahlung aus. Bei hohen Temperaturen liegt diese Strahlung eben z. T. im sichtbaren Bereich. Leider geht bei Glühlampen der überwiegende Teil als unsichtbare Infrarotstrahlung ab.
Wer es genauer haben möchte: https://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Strahlungs…
Freundliche Grüße
Thomas

[j_tilde]

Moin,

schön erklärt, aber Du lässt die Herkunft des Lichtes im
Dunkel

*g*, ja weil ich die gestern schon nicht erklären konnte und auch das Überfliegen deines eben verlinkten Artikel daran nichts geändert hatte

Dabei ist es leicht zu beschreiben, jedenfalls oberflächlich:
Laut dem Planck’schen Strahlungsgesetz sendet jeder schwarze
Körper ( auch die Glühwendel ist annähernd ein solcher )
abhängig von seiner Temperatur eine elektromagnetische
Strahlung aus.

Ja, das sagt mir auch meine Lebenserfahrung. Aber das erklärt es noch nicht

VG!
J~