4.6.2 Arten und Prinzip der Spannungserzeugung

a) durch Wärme
b) durch Licht
c) durch Induktion
d) durch chemische Vorgänge
e) durch Verformung von Kristallen (durch Druck – Piezo-Effekt)
f) durch Reibung

a) Wärme
Verbindet man zwei verschiedene Metalle (zum Beispiel Konstantan und Eisen; Konstantan ist ein Markenname für eine Legierung aus Kupfer, Nickel und Mangan) an einem Ende und erwärmt diese Verbindungsstelle, so stellt man fest, dass zwischen den beiden freien Enden eine Spannung entsteht. Verschiedene Metalle haben unterschiedliche Mengen an freien Elektronen. Berühren sich nun zwei Metalle mit verschiedener Elektronendichte, so besteht für die Elektronen die Möglichkeit, von dem Metall mit der größeren Elektronendichte in das andere überzugehen, wenn den Elektronen die hierfür notwendige Arbeit zugeführt wird. Das geschieht durch Temperatursteigerung. Diese Thermoelemente werden zum Messen tiefer und hoher Temperaturen verwendet.

Abb. 369: Verschiedene Metalle produzieren Strom, wenn man sie erwärmt (Quelle: Eigene Darstellung)

b) Licht
Setzt man ein sogenanntes „Fotoelement“ dem Licht aus, so wird eine Spannung erzeugt. Ein Fotoelement besteht aus einer gut leitenden metallischen Grundplatte, auf der eine Halbleiterschicht aufgebracht ist. Auf diese Schicht ist als Gegenelektrode eine dünne lichtdurchlässige Metallhaut aufgedampft. Durch Belichten werden in der Halbleiterschicht Elektronen herausgelöst, die in die Metallhaut übertreten. Die Grundplatte wird somit positiv und die Metallhaut negativ geladen. Es entsteht also eine Spannung.

Abb. 370: Darstellung eines Fotoelementes, das Spannung erzeugen kann, wenn es dem Licht ausgesetzt wird. (Quelle: Eigene Darstellung)

c) Induktion
Führt man eine Spule in das Magnetfeld eines Magneten, so entsteht während der Bewegung in der Spule eine Spannung. Man nennt diese Art der Spannungserzeugung Induktion.

Abb. 371: schematische Darstellung der Spannungserzeugung durch Induktion (Quelle: Eigene Darstellung)

d) chemische Vorgänge
Taucht man zwei verschiedene Metalle (zum Beispiel Kupfer und Zink) in eine elektrisch leitende Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser mit Schwefelsäurezusatz), so stellt man zwischen den beiden Elektroden eine Spannung fest. Bestimmte Metalle wie zum Beispiel Zink haben das Bestreben, positive Metallionen in die Lösung zu treiben. Dabei werden diese Metalle gegenüber der Lösung negativ geladen. Andere Metalle wie zum Beispiel Kupfer haben das Bestreben, aus der Lösung positive Metallionen aufzunehmen. Die Metalle werden positiv geladen. Insgesamt entsteht also zwischen den beiden Metallen ein Ladungsunterschied – das heißt: eine Spannung. Diese Spannungserzeuger nennen wir galvanische Elemente (Taschenlampenbatterien) und Akkumulatoren (Blei-Akku).

Abb. 372: Spannungserzeugung durch chemische Prozesse (Quelle: Eigene Darstellung)

e) Verformung (Druck – Piezo-Effekt)
Verformt man durch Druck ein sogenanntes Piezo-Kristall, so entsteht eine Spannung. Bei Kristallen wie Quarz, Turmalin treten durch Druck oder Zug auf bestimmte Kristallflächen negative oder positive Ladungen und damit Spannungen auf.

Abb. 373: Schema der Stromerzeugung mit einem Piezo-Kristall (Quelle: Eigene Darstellung)

f) Reibung
Durch Reiben von Isolierstoffen können elektrische Ladungen getrennt und damit Spannung erzeugt werden. Dies entsteht ungewollt zum Beispiel bei Fahrzeugen und Flugzeugen sowie auch bei Papier, Kunststofffolien und Geweben (auch Chemiefasern) und bei Kunststoffreibriemen.

Abb. 374: Papierbahn an einer Kunststoffrolle: Hier kann Spannung durch Reibung entstehen. (Quelle: Eigene Darstellung)