Diese Sendung führt den Arbeits- und Leistungsbegriff auch in der Elektrik ein. Die Menschen nutzen elektrische Energie sehr intensiv und damit sind Überlegungen zum Wirkungsgrad und zur Energieproblematik verbunden. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Überlegen Sie einmal, wie viele elektrische Geräte Sie täglich benützen! Ihr
"Stromzähler" läuft umso schneller, je mehr Geräte eingeschaltet sind. Alle
Geräte mit Heizungen, wie z.B. eine Waschmaschine
wirken sich besonders stark aus. Aber wieso müssen wir eigentlich eine "Stromrechnung"
bezahlen? Messungen in beiden Anschlüssen einer Lampe zeigen, dass Strom nicht
verbraucht wird. Tatsächlich rechnet das Elektrizitätswerk über gelieferte
"Kilowattstunden" ab; es handelt sich also um eine Energierechnung! Dazu werden
verschiedene Gerätetypen genauer unter die Lupe genommen. Bei Lichtquellen
kann man mit Energiesparlampen viel Energie einsparen. Eine Bohrmaschine
nützt elektrische Energie für die Umwandlung in eine mechanische Drehbewegung.
Ein Mikrowellenofen
wandelt elektrische Energie letztendlich in Wärme um.
In einer Tricksequenz wird dargestellt, wie ein formelmäßiger Zusammenhang
für elektrische Arbeit entsteht. Diese Arbeit wird einer elektrischen
Energie gleichgesetzt. Die Ursache sind die Bewegungen der Elektronen im
leitfähigen Material. Sie stoßen laufend an die Atomrümpfe und verlieren dabei
Energie. Dies entspricht einer Reibung, die im Gegenzug eine permanente
elektrische Kraft erfordert. Insgesamt bewegen sich die Elektronen mit
konstanter Geschwindigkeit und verursachen dabei Wärmeverluste. Diese Stromwärme
ist gleich der elektrischen Arbeit. Die Formel Wel =
Eel = U I t sieht wegen der Abhängigkeit
von der Zeit etwas seltsam aus, aber das kommt vom Zusammenhang I t = Q mit der
Ladung. Entsprechend ergibt sich für die elektrische Leistung
Pel =
U I. Zur Überprüfung der neuen
Formeln wird jeweils die gleiche Wassermenge mit zwei verschiedenen Tauchsiedern
bei gleicher Wärmeleistung
erwärmt. Dabei wird beide Male die gleiche Endtemperatur erreicht, die auch gut
mit einem berechneten Wert übereinstimmt.
Die elektrische Leistung eines Bauteils wird mit einem Amperemeter und einem
Voltmeter bestimmt. Es gibt eigene sogenannte "Wattmeter",
die entsprechend eine Ampere- und eine Voltmessung durchführen und mithilfe
eines elektronischen Bauteils den Produktwert in der Einheit Watt anzeigen. Wenn
zusätzlich die Zeitdauer in der Einheit Sekunde berücksichtigt wird, zeigt das
Gerät direkt die elektrische Arbeit in Wattsekunden gleich Joule an. Auch der
sogenannte Elektrizitätszähler,
den man in jedem Haushalt findet, misst elektrische Energie, allerdings in der
Einheit Kilowattstunden (kWh). Diese Einheit passt gut zu elektrischen
Haushaltsgeräten: Kilowatt mal Betriebsdauer in Stunden ergeben
"Kilowattstunden". Die Umrechnung sieht so aus: 1 kWh = 1000 W 3600 s = 3,6 Mio. Ws = 3,6 MJ
(Megajoule). Ein Überblick
über typische Bedürfnisse während eines Tages zeigt, dass der Energiebedarf für
Beleuchtung trotz der langen Nutzungsdauer wesentlich niedriger anzusetzen ist,
als z.B. für Fernsehen und Kochen.
Die Einheiten Watt und kWh spielen überall
eine wichtige Rolle. Sie sollten dazu eine möglichst anschauliche Vorstellung
haben: Wenn Sie es schaffen 100 kg in 1 s um 1 m zu heben, dann leisten Sie 1
kW. Das ist eine Leistung, die auch Spitzensportler nur wenige Sekunden
durchhalten. Eine hohe Ausdauerleistung können Sie beim Radfahren
erzielen. Wenn Sie kräftig in die Pedale treten, sind es um die 300 W. Die
"Ruheleistung" eines Menschen beträgt etwa 100 W. Einige Anschauungshilfen auch
zur Energie: Wenn Sie eine Arbeit von 1 kWh verrichten wollen, müssen Sie eine
Gesamtmasse von 100 kg über eine Höhe von 3600 m transportieren; das ist eine
gewaltige Bergtour. Ein Mensch benötigt am Tag etwa 10 MJ an biologischer
Energie, das sind etwa 3 kWh - rechnen Sie nach. Die Elektrizitätsrechnung dafür
wäre weniger als 0,5 Euro - ganz schön preiswert, oder?
Keine Maschine ist in der Lage, 100% der eingesetzten Arbeit bzw. Energie für
den gewünschten Zweck zu nutzen. Dafür wurde der Begriff des Wirkungsgrades
eingeführt. In einem Experiment hebt ein Elektromotor
ein Gewicht von 20 N auf eine Höhe von 1 m, wendet dafür aber eine elektrische
Energie von 30 J auf. Dies ergibt einen Wirkungsgrad von = Wnutz /
Eaufgewandt = 20 J / 30 J = 66 %. Als zweites Beispiel wird
dieser Motor als Generator
benutzt, der die Lageenergie des Gewichts in elektrische Energie zurück
verwandelt. Diesmal beträgt der Wirkungsgrad nur 24 %. Es ist ein typisches
Problem für Ingenieure, Maschinen so zu konstruieren, dass für das jeweilige
Gesamtproblem ein optimaler Wirkungsgrad erzielt wird.
Der Bedarf an elektrischer Energie ist besonders in den Industriestaaten so
groß, dass Umweltprobleme nicht mehr ignoriert werden können. Mit den
natürlichen Öl- und Gasvorräten nutzen wir heute in wenigen Jahrzehnten die
gespeicherte Sonnenenergie von Millionen von Jahren. Dazu kommt die CO2-Problematik:
Das zusätzlich freigesetzte Kohlenstoffdioxid sorgt für einen Treibhauseffekt,
der unvorhersehbare Umweltauswirkungen haben wird. Deshalb ist es wichtig, dass
wir unseren Energiebedarf immer mehr mit Sonnenenergie abdecken. Die
Sonnenerwärmung ist auch die Ursache der Winde, die wir mit Windkraftwerken
nutzen können. Gleichzeitig können wir mehr als bisher versuchen, Energie
einzusparen. Besonders attraktiv sind alle Vorschläge, die dazu neue technische
Entwicklungen verwenden und den Lebensstandard eher weiter verbessern. Ein
bekanntes Beispiel ist die Wärmedämmung von Häusern. Ein einfacher Versuch
mit drei gleich großen Modellhäusern zeigt, dass der Energiebedarf für die
Heizung sehr stark reduziert werden kann.
Für die elektrische Versorgung
entlegener Häuser sind Fotovoltaikanlagen ideal. Hier kann das Problem der
permanenten Verfügbarkeit mit Akkus und einem Notgenerator gut gelöst werden. Im
großen Maßstab bietet im Augenblick nur die Wasserstofftechnologie
eine Option, die Fotovoltaik im großen Umfang einzuführen. Für spezielle
Bedürfnisse gibt es noch andere technische Möglichkeiten: Mit einem sogenannten
Peltier-Element
wird aus Wärme direkt elektrische Energie gewonnen. Diese Nutzung lohnt sich nur
in Spezialfällen, aber umgekehrt werden die Peltier-Elemente schon häufig
eingesetzt, z.B. in einer Kühlbox für den Campingbedarf. Speist man das
Peltier-Element mit elektrischer Energie, dann entsteht eine Temperaturdifferenz.
Mit der Polung des Gleichstroms entscheiden Sie, ob der Inhalt der Isolierbox
gekühlt oder gewärmt werden soll. Das ist sehr praktisch, oder?