Telekolleg - Physik


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Physik - 18. Folge Elektrische Arbeit und Leistung

Diese Folge 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.

Stand: 08.09.2016

Zwei leuchtende Lampen | Bild: BR

Die Folge gliedert sich in folgende Abschnitte:

Elektrische Arbeit und Leistung - Inhaltsübersicht

  • 1. Nutzung elektrischer Energie
  • 2. Stromwärme und Stromleistung
  • 3. Messgeräte und Größenvorstellungen
  • 4. Wirkungsgrad
  • 5. Ökologische Aspekte

1. Nutzung elektrischer Energie

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 zum Beispiel 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!

Nehmen wir einmal verschiedene Gerätetypen genauer unter die Lupe:
Bei Lichtquellen kann man mit Energiesparlampen viel Energie einsparen. Eine Bohrmaschine nutzt elektrische Energie für die Umwandlung in eine mechanische Drehbewegung. Ein Mikrowellenofen wandelt elektrische Energie zunächst in elektromagnetische Wellen und letztendlich in Wärme um.

2. Stromwärme und Stromleistung

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 = UIt sieht wegen der Abhängigkeit von der Zeit etwas seltsam aus, aber das kommt vom Zusammenhang It = Q mit der Ladung. Entsprechend ergibt sich für die elektrische Leistung Pel = UI. Vergleichen Sie nebenstehendes Video.

Versuch mit Tauchsiedern

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.

3. Messgeräte und Größenvorstellungen

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).

Energiebedarf verschiedener Geräte (Klicken Sie bitte auf die Lupe)

Ein Überblick über typische Bedürfnisse während eines Tages zeigt, dass der Energiebedarf für Beleuchtung trotz der langen Nutzungsdauer wesentlich niedriger anzusetzen ist, als zum Beispiel für Fernsehen und Kochen.

Versuch zur elektrischen Leistung

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.

Beim Radfahren lässt sich eine hohe Ausdauerleistung erzielen.

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?

4. Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist genutzte Arbeit durch aufgebrachte Energie

Keine Maschine ist in der Lage, 100% der eingesetzten Arbeit beziehungsweise 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.

5. Ökologische Aspekte

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.

Versuch mit Peltier-Element

Diese Nutzung lohnt sich nur in Spezialfällen, aber umgekehrt werden die Peltier-Elemente schon häufig eingesetzt, zum Beispiel 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?

Überprüfen Sie Ihr Wissen!

Quiz | Bild: BR zum Quiz Telekolleg Physik Quiz: Elektrische Arbeit und Leistung

Kennen Sie sich mit elektrischer Arbeit und Leistung aus? Zur Vertiefung des Gelernten bieten wir Ihnen die Möglichkeit, Ihr Wissen online und interaktiv zu testen. Überprüfen Sie Ihr Wissen! [mehr]


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