Warum eine Batterie 1,10 Volt liefert – und nicht 9

Warum eine Batterie 1,10 Volt liefert – und nicht 9

Die Batterie speichert keinen Strom – sie erzeugt ihn durch Chemie. Das ist der größte Irrtum überhaupt: In einer Batterie steckt kein Strom, sondern Chemikalien, die Strom erst machen, wenn man sie verbindet. Heute schauen wir in so eine Zelle hinein, verfolgen die Elektronen auf ihrem Weg und rechnen am Ende aus, was wirklich passiert.

Stell dir zwei Becher vor: links Zinksulfat, rechts Kupfersulfat, beide mit einer Konzentration von einem Mol pro Liter. In jeden Becher taucht ein Metall – links ein Zinkblech, rechts ein Kupferblech. Zwischen beiden Lösungen hängt eine Salzbrücke, die die Ladungen ausgleicht, damit sich keine Ladung aufstaut. Und oben verbindet ein Draht die beiden Metalle – das ist unsere galvanische Zelle, die Grundlage jeder Batterie.

Jetzt wird's chemisch: Das Zink gibt zwei Elektronen ab und wird zum Zink-Ion, das in Lösung geht. Diese Elektronen wandern durch den Draht zum Kupfer, das sie bereitwillig aufnimmt. Zink oxidiert, Kupfer reduziert – und genau dieser Elektronenfluss durch den Draht ist der elektrische Strom. Am Zink entsteht ein Elektronenüberschuss, am Kupfer ein Mangel – und dieser Unterschied treibt alles an.

Wie stark ist dieser Antrieb? Das messen wir als Spannung, und die können wir aus Tabellenwerten berechnen. Zink hat ein Standardpotential von minus 0,76 Volt, Kupfer plus 0,34 Volt – das sind die Werte, die man in jeder Tabelle findet. Die Zellspannung ist die Differenz zwischen Kathode und Anode: 0,34 minus minus 0,76 – also 1,10 Volt. Das Voltmeter im Draht zeigt genau diesen Wert an – unsere Zelle liefert 1,10 Volt.

Aber hier ist das Seltsame: Die Chemie allein tut nichts – erst wenn wir einen Stromkreis schließen, fließt Strom. Wir verbinden die Zelle mit einem 10-Ohm-Widerstand zu einem geschlossenen Kreis, damit die Elektronen einen Weg haben. Jetzt haben die Elektronen einen Weg – und der Widerstand bremst sie, wie eine Engstelle in einem Rohr. Ohne diesen Widerstand würde der Strom unkontrolliert fließen – mit ihm können wir ihn berechnen.

Und genau hier kommt das Ohmsche Gesetz ins Spiel: Spannung gleich Widerstand mal Strom. Wir kennen die Spannung, 1,10 Volt, und den Widerstand, 10 Ohm – also können wir den Strom ausrechnen. Der Strom ist die Spannung geteilt durch den Widerstand: 1,10 geteilt durch 10 – das sind 0,11 Ampere. Das ist ein kleiner Strom, aber er reicht, um eine kleine LED zum Leuchten zu bringen.

Rechnen wir das Schritt für Schritt nach, damit nichts offen bleibt. Erst: Die Spannung der Zelle ist 1,10 Volt – das haben wir aus den Standardpotentialen von Zink und Kupfer berechnet. Zweitens: Der Widerstand im Kreis ist 10 Ohm – das ist unser bekanntes Bauteil. Drittens: Strom ist Spannung geteilt durch Widerstand – also 1,10 geteilt durch 10. Das ergibt 0,11 Ampere – so viel Strom fließt wirklich durch den Draht und den Widerstand. Und wenn wir die Spannung mit dem Strom multiplizieren, erhalten wir die Leistung: 1,10 mal 0,11 – etwa 0,12 Watt.

Schauen wir uns den ganzen Kreislauf noch einmal an, von Anfang bis Ende. Die Chemie setzt Elektronen frei – die erzeugen die Spannung – die treibt den Strom – und der Widerstand begrenzt ihn. Chemie, Elektronen, Spannung, Strom, Widerstand – alles hängt zusammen wie die Glieder einer Kette. Jedes Glied ist notwendig: Ohne Chemie kein Strom, ohne Widerstand keine kontrollierte Entladung.

Aber warum wird die Batterie irgendwann leer? Das ist die Frage, die sich jeder stellt. Weil die Chemie sich verbraucht: Das Zink löst sich langsam auf, und die Zinksulfatlösung wird immer schwächer. Wenn alle Zinkatome ihre Elektronen abgegeben haben, ist Schluss – die Zelle ist tot, und kein Strom fließt mehr. Die Kupferseite bleibt fast unverändert, aber die Anode ist aufgebraucht – das ist das Ende der Batterie.

Zum Schluss eine Frage zum Mitnehmen: Was passiert, wenn du den Widerstand halbierst – auf 5 Ohm? Der Strom wird doppelt so groß – 0,22 Ampere – aber die Chemie verbraucht sich dann auch doppelt so schnell. Denk beim nächsten Aufladen daran: Deine Batterie ist eine kleine Chemiefabrik, die du gerade wieder befüllt hast. Und wenn du die Spannung kennst und den Widerstand, kannst du den Strom immer selbst berechnen – das ist die Kraft des Ohmschen Gesetzes.