Stress and Strain

Die elektromotorische Kraft ([latex]\mathcal{E}[/latex]) ist die Arbeit, die pro Einheit elektrischer Ladung von einer nicht-elektrischen Quelle wie einer Batterie oder einem Generator verrichtet wird. Trotz ihres Namens handelt es sich nicht um eine mechanische Kraft, sondern um ein elektrisches Potenzial, das in Volt gemessen wird. Sie stellt die Energie dar, die von einer anderen Form (chemisch, mechanisch) in elektrische Energie umgewandelt wird, während eine Ladung die Quelle durchquert.

Der elektrische Strom in einem Voltastapel wird durch eine Redoxreaktion erzeugt. An der Zinkanode wird das Zinkmetall oxidiert, wobei zwei Elektronen pro Atom freigesetzt werden ([latex]Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). Diese Elektronen wandern durch den äußeren Stromkreis zur Kupferkathode. Dort werden die Wasserstoffionen aus dem wässrigen Elektrolyten reduziert und bilden Wasserstoffgas ([latex]2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

Ein Hauptfehler der Voltasche Säule ist die Elektrodenpolarisation. Während des Betriebs bildet das an der Kupferkathode entstehende Wasserstoffgas eine isolierende Blasenschicht auf deren Oberfläche. Diese Schicht erhöht den Innenwiderstand der Batterie und verringert die für Reaktionen verfügbare Oberfläche. Infolgedessen sinken Spannung und Stromstärke der Säule kurz nach Inbetriebnahme deutlich ab.

Der Cauchy-Spannungstensor, bezeichnet als [latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex], ist ein Tensor zweiter Ordnung, der den Spannungszustand an einem Punkt innerhalb eines Materials vollständig definiert. Er setzt den Zugvektor (Kraft pro Flächeneinheit) [latex]\mathbf{T}[/latex] auf einer beliebigen Oberfläche, die durch diesen Punkt verläuft, mit dem Normalenvektor der Oberfläche [latex]\mathbf{n}[/latex] über die lineare Beziehung [latex]\mathbf{T} = \boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{n}[/latex] in Beziehung.

Eine Hauptquelle der elektromotorischen Kraft ist die elektromagnetische Induktion, die durch das Faradaysche Gesetz beschrieben wird. Es besagt, dass ein zeitlich veränderlicher magnetischer Fluss [latex]\Phi_B[/latex] durch eine Stromkreisschleife eine EMK ([latex]\mathcal{E}[/latex]) induziert. Die Größe der EMK ist proportional zur Änderungsrate des Flusses, gegeben durch die Gleichung [latex]\mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. Dieses Prinzip ist die Grundlage für elektrische Generatoren, Transformatoren und Drosseln.

Eine Neuformulierung der klassischen Mechanik, die verallgemeinerte Koordinaten und ihre konjugierten Momente verwendet. Sie basiert auf der Hamilton-Funktion [latex]H(q, p, t)[/latex], die die Gesamtenergie des Systems darstellt. Die Dynamik wird durch die Hamilton-Gleichungen beschrieben: [latex]\dot{q}_i = \frac{\partial H}{\partial p_i}[/latex] und [latex]\dot{p}_i = -\frac{\partial H}{\partial q_i}[/latex]. Dieser Rahmen ist für die Quantenmechanik und die statistische Mechanik von zentraler Bedeutung.

Galvanische Korrosion ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem ein Metall bevorzugt korrodiert, wenn es mit einem anderen in elektrischem Kontakt steht und ein Elektrolyt vorhanden ist. Dies geschieht, weil die ungleichen Metalle ein bimetallisches Paar bilden, wobei das unedlere (aktivere) Metall als Anode fungiert und korrodiert, während das edlere Metall als Kathode wirkt.

Die erste elektrische Batterie erzeugte Gleichstrom durch die Übereinanderlagerung von Paaren unterschiedlicher Metallscheiben (z. B. Zink und Kupfer), die durch ein mit Salzlake getränktes Tuch getrennt waren. Jedes Paar bildete eine galvanische Zelle, und die Reihenschaltung erhöhte die Gesamtspannung. Diese Anordnung demonstrierte die erste kontinuierliche Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und ebnete den Weg für die moderne Elektrochemie.

Der Voltaische Pfahl begründete das Prinzip der Addition von Spannungen durch Reihenschaltung elektrochemischer Zellen. Jedes Zink-Kupfer-Paar, oder jede Zelle, erzeugt eine charakteristische elektromotorische Kraft (EMK) von etwa 0,76 Volt. Durch physisches Stapeln dieser Zellen zeigte Volta, dass die Gesamtspannung über dem Pfahl die Summe der einzelnen EMKs jeder Zelle ist, wie durch [latex]V_{Gesamt} = n \mal V_{Zelle}[/latex] beschrieben.

Die Kontinuumsannahme behandelt Flüssigkeiten als kontinuierliche Materie und nicht als diskrete Moleküle. Diese Vereinfachung ist gültig, wenn die Längenskala des Problems deutlich größer ist als der intermolekulare Abstand. Dadurch können Eigenschaften wie Dichte und Geschwindigkeit an infinitesimalen Punkten definiert werden. Dies ermöglicht die Verwendung von Differentialgleichungen zur Beschreibung des makroskopischen Verhaltens von Flüssigkeitsströmungen.

Die Navier-Stokes-Gleichungen sind eine Reihe nichtlinearer partieller Differentialgleichungen, die die Bewegung viskoser flüssiger Substanzen beschreiben. Sie sind eine Umsetzung des zweiten Newtonschen Gesetzes und gleichen Impulsänderungen mit Druckgradienten, viskosen Kräften und äußeren Kräften aus. Für eine inkompressible Flüssigkeit lautet die Gleichung [latex]\rho (\frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex].

Der kathodische Korrosionsschutz (KKS) ist eine Technik zur Bekämpfung der Korrosion einer Metalloberfläche, indem diese zur Kathode einer elektrochemischen Zelle gemacht wird. Dies wird erreicht, indem ein externer elektrischer Strom zugeführt wird, der die natürlichen Korrosionsströme unterdrückt. Das Potenzial des geschützten Metalls wird auf einen negativeren Wert polarisiert, wodurch es in einen Bereich der Immunität oder Passivität versetzt wird.

Dieses Gesetz besagt, dass die elektromotorische Kraft (EMK, [latex]\mathcal{E}[/latex]), die in einem beliebigen geschlossenen Stromkreis induziert wird, gleich dem Negativ der zeitlichen Änderungsrate des magnetischen Flusses ([latex]\Phi_B[/latex]) durch den Stromkreis ist. Der mathematische Ausdruck lautet [latex]\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. Dieses Prinzip ist die Grundlage für elektrische Generatoren, Transformatoren und Induktoren und beschreibt den makroskopischen Effekt der Induktion.

Das Lenzsche Gesetz gibt die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) und des durch elektromagnetische Induktion entstehenden Stroms an. Es besagt, dass der induzierte Strom in eine Richtung fließt, die ein Magnetfeld erzeugt, das der Änderung des magnetischen Flusses, die ihn erzeugt hat, entgegenwirkt. Dieses Prinzip ist eine Konsequenz der Energieerhaltung und wird durch das negative Vorzeichen im Faradayschen Gesetz dargestellt.