Nutzen der elektrischen Energie

1. Nutzen der elektrischen Energie Der ‘Stromzähler’ läuft umso schneller, je mehr Geräte eingeschaltet sind. Alle Geräte mit Heizungen (Wasch-maschine) wirken sich besonders stark aus. Aber wieso müssen wir eigentlich eine ‘Strom-rechnung’ bezahlen? Messungen in beiden Anschlüssen zeigen, daß Strom nicht verbraucht wird. Tatsächlich rechnet das Elektrizitätswerk über gelieferte ‘Kilowatt-stunden’ ab; es handelt sich um eine Energierechnung! Eine Bohrmaschine nützt elektrische Energie für die Umwandlung in eine mechanische Drehbewegung. Ein Mikrowellenofen wandelt elektrische Energie letzt-endlich in Wärme um.

2. Stromwärme und Stromleistung Die Ursache der elektrischen Energie sind die Bewegungen der Elektronen im leit-fähigem Material. Sie stoßen laufend an die Atomrümpfe und verlieren dabei Energie (Reibung). Insgesamt bewegen sich die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit und verursachen dabei Wärmeverluste. Diese Stromwärme ist gleich der elektrischen Arbeit. Die Formel Wel=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 Leistung Pel=U*I Zur Überprüfung der neuen Formeln wird jeweils die gleiche Wassermenge mit zwei verschiedenen Tauch-siedern bei gleicher Wärmeleistung erwärmt. Dabei wird beide Male die gleiche Endtempera-tur erreicht, die auch gut mit einem berechneten Wert übereinstimmt.

3. Meßgeräte und Größenvorstellung Die elektrische Leistung eines Bauteils wird mit einem Amperemeter und einem Voltmeter bestimmt. Es gibt eigene ‘Wattmeter’ die entsprechend eine Ampere- und eine Volt-messung 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 Betriebs-dauer in Stunden ergeben ‘Kilowattstunden’. 1kWh=1000W*3600s= 3,6 Mio.Ws=3,6MJ (Megajoule). Ein Überblick über typische Bedürfnisse während eines Tages zeigt, daß der Energie-bedarf für Beleuchtung trotz der langen Nutzdauer wesentlich niedriger anzusetzen ist als zB für Fernsehen und Kochen.

4. Wirkungsgrad Keine Maschine ist in der Lage, 100% der eingesetzten Arbeit bzw. Energie für den gewünschten Zweck zu nutzen. Dafür wurde der Begriff des Wirkungs-grades eingeführt. In einem Experiment hebt ein Elektromotor ein Gewicht von 20N auf eine Höhe von 1m, wendet dafür aber eine elektrische Energie von 30J auf. Dies ergibt einen Wirkungsgrad von Wnutz/Waufgewandt=20J/30J=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%

5. Ökologische Aspekte Der Bedarf an elektrischer Energie ist besonders in den Industriestaaten so groß., daß Umweltprobleme nicht mehr ignoriert werden können. Die CO2-Problematik: Das freigesetzte Kohlenstoff-dioxid sorgt für einen Treibhauseffekt, der unvorhersehbare Umweltauswirkungen haben wird. Ein bekanntes Beispiel der Energieeinsparung 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 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.

6. Fragen zur elektrischen Arbeit • Zwischen Anode und Kathode einer Braunschen Röhre liegt eine Spannung U=750V. Auf die Anode treffen in einer Sekunde 6,25*1012 Elektronen. • a) Wie groß ist die Bewegungsenergie eines Elektrons in diesem Strahl? • b) Wie groß ist die Verlustleistung an der Anode? • c) Wie groß ist der Anodenstrom? • An das Stromnetz (U=230V) wird eine Lampe mit der Leistung P=75W geschaltet. • a) Wie groß ist der Lampenwiderstand bei 230V? • b) Wie groß ist die Stromstärke im Glühdraht? • An das 230V-Stromnetz sollen gleichzeitig Lampen mit einem Gesamtwiderstand von 160 Ohm, ein Bügeleisen mit 1kW und ein Föhn mit 900W angeschlossen. Wird damit die 10A-Netzsicherung überlastet? • Durch eine Turbine eines Wasserkraftwerks fließen pro Sekunde 10m3 Wasser bei einer Höhendifferenz von 3,0m. Wie groß ist die vom Generator lieferbare elektrische Energie? (g=9,81m/s2 Wasserdichte=1kg/dm3 Gesamtwirkungsgrad=80%)