Warm-up – Elektrischer Strom und elektrische Ladung – Lösungen

a In einem Pumpspeicherkraftwerk wird elektrische Energie genutzt, um Wasser in ein höher gelegenes Speicherbecken zu pumpen. Dabei wird die elektrische Energie in potenzielle Energie des Wassers umgewandelt. Wenn Energie benötigt wird, wird das Wasser aus dem Speicherbecken abgelassen und fließt durch Turbinen, die die potenzielle Energie des Wassers in kinetische Energie umwandeln. Die Turbinen treiben Generatoren an, die die kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln.

b Grafik folgt

c 

• Geografische Voraussetzungen: Pumpspeicherkraftwerke benötigen große Höhenunterschiede und geeignete Standorte mit natürlichen oder künstlichen Wasserreservoirs.
• Umwelt- und Naturschutz: Der Bau von Pumpspeicherkraftwerken kann erhebliche Eingriffe in die Natur und Landschaft erfordern, was zu Widerstand von Umwelt- und Naturschutzorganisationen führen kann.
• Wirtschaftlichkeit: Der Bau und Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken ist teuer und erfordert hohe Investitionen. In Regionen mit geringem Energiebedarf oder ohne geeignete geografische Voraussetzungen kann sich der Bau eines solchen Kraftwerks wirtschaftlich nicht lohnen.
• Siedlungsdichte: In dicht besiedelten Gebieten ist der Platz für große Wasserreservoirs und die notwendige Infrastruktur begrenzt. Der Bau solcher Anlagen könnte zu Konflikten mit bestehenden Wohn- und Nutzflächen führen.

a Die Aussage bedeutet, dass elektrische Energiequellen Energie nicht kostenlos bereitstellen können. Es ist immer eine Form von Energie notwendig, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese Energie muss aus einer anderen Energieform umgewandelt werden, und dieser Prozess ist nie vollständig effizient. Es gibt immer Verluste, meist in Form von Wärme.

b Kohlekraftwerk:

Grafik folgt

Chemische Energie (Kohle)
        ↓
    Verbrennung
        ↓
    Wärmeenergie
        ↓
    Turbine
        ↓
Mechanische Energie
        ↓
    Generator
        ↓
Elektrische Energie

Batterie:

Grafik folgt

chemische Energie
        ↓
    Solarzellen
        ↓
Elektrische Energie

Solarzelle:

Grafik folgt

Strahlungsenergie (Sonne)
        ↓
    Solarzellen
        ↓
Elektrische Energie

Hinweis: Weitere Beispiele sind möglich.

Elektrische Energie wird häufig als die wichtigste Energieform bezeichnet, weil sie vielseitig einsetzbar ist und sich leicht transportieren und umwandeln lässt. Sie kann in verschiedene Energieformen wie thermische, mechanische oder chemische Energie umgewandelt werden, was sie für viele Anwendungen im Alltag und in der Industrie unverzichtbar macht. Zudem ist sie sauber und effizient, da sie keine direkten Emissionen verursacht und sich gut steuern lässt. Elektrische Energiequellen wie Solarzellen, Batterien und Generatoren ermöglichen eine nachhaltige und zuverlässige Energieversorgung.

a 10 Geräte, die elektrische Energie benötigen:

• Handy
• Schreibtischlampe
• Mixer
• Wasserkocher
• Kühlschrank
• Fernseher
• Computer
• Waschmaschine
• Staubsauger
• Mikrowelle

Hinweis: Weitere Beispiele sind möglich.

b 

c Energieflussdiagramme für drei ausgewählte Geräte:

1. Handy:
Elektrische Energie -> Strahlungsenergie (Grafik folgt)

2. Wasserkocher:
Elektrische Energie -> thermische Energie (Grafik folgt)

3. Mixer:
Elektrische Energie -> Bewegungsenergie (Grafik folgt)

Hinweis: Bei allen Beispielen wird ein Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umgewandelt, auch wenn dies nicht immer die gewünschte Energieform ist. Dies könnte ebenfalls in die Energieflussdiagramme gezeichnet werden.

a Bild A: Ein beschädigtes Kabel wird verwendet.

Bild B: Ein Mixer, der an eine Steckdose angeschlossen ist, wird unter Wasser gehalten.

Bild C: Es wird mit einem Spielzeugdrachen in der Nähe von Hochspannungsleitungen gespielt.

Bild D: Kabel werden direkt in die Steckdose gesteckt.

Bild E: Ein Haartrockner, der an eine Steckdose angeschlossen ist, wird in der Badewanne verwendet.

Bild F: Mit einem Messer wird in einem Toaster, der an eine Steckdose angeschlossen ist, gestochert.

b Bild A: Ein kaputtes Kabel kann zu einem Kurzschluss oder einem elektrischen Schlag führen, da die Isolierung beschädigt ist und die Drähte freiliegen.

Bild B: Wasser ist ein guter Leiter und kann bei Kontakt mit elektrischen Geräten zu einem Stromschlag führen. Der Mixer könnte Wasser in die Elektronik bekommen und einen Kurzschluss verursachen.

Bild C: Hochspannungsleitungen sind extrem gefährlich. Ein Spielzeugdrache könnte die Leitungen berühren und einen Stromschlag verursachen, der lebensgefährlich ist.

Bild D: Kabel, die direkt in die Steckdose gesteckt werden, können leicht beschädigt werden und zu einem Kurzschluss oder einem elektrischen Schlag führen.

Bild E: Ein Haartrockner in der Badewanne kann bei Kontakt mit Wasser einen Stromschlag verursachen, da Wasser die Leitfähigkeit erhöht.

Bild F: Mit einem Metallgegenstand in einem Toaster zu stochern, kann einen Stromschlag verursachen, da Metall ein guter Leiter ist und die Heizdrähte im Toaster berühren könnte.

c Bild A: Verwende nur unbeschädigte Kabel und ersetze beschädigte sofort. Überprüfe Kabel regelmäßig auf Schäden.

Bild B: Halte elektrische Geräte fern von Wasserquellen und benutze sie niemals in der Nähe von Wasser. Stelle sicher, dass deine Hände trocken sind, wenn du elektrische Geräte bedienst.

Bild C: Halte Spielzeug und andere Gegenstände fern von Hochspannungsleitungen. Spiele niemals in der Nähe von Hochspannungsleitungen.

Bild D: Verwende keine improvisierten oder unsicheren Methoden, um Kabel direkt in die Steckdose zu stecken. Verwende nur richtige Stecker in der Steckdose.

Bild E: Verwende elektrische Geräte niemals in der Nähe von Wasser. Halte den Haartrockner fern von der Badewanne und anderen Wasserquellen.

Bild F: Verwende keine Metallgegenstände, um Essen aus einem Toaster zu holen. Ziehe den Stecker des Toasters und benutze einen Holz- oder Kunststoffgegenstand, um das Essen herauszuholen.

Individuelle Lösung

a Drei typische Haushaltsgeräte, bei denen es leicht zu elektrischen Unfällen kommen kann, sind:

• Haartrockner
• Toaster
• Waschmaschine

b Konkrete Maßnahmen zur Unfallvermeidung:

• Haartrockner: Benutze den Haartrockner niemals in der Nähe von Wasser, z.B. in der Badewanne oder Dusche. Überprüfe regelmäßig das Kabel auf Beschädigungen und ziehe den Stecker nach Gebrauch.
• Toaster: Reinige den Toaster regelmäßig, um Krümel und andere Rückstände zu entfernen, die einen Kurzschluss verursachen könnten. Ziehe den Stecker, bevor du den Toaster reinigst oder wenn er nicht in Gebrauch ist.
• Waschmaschine: Überprüfe regelmäßig die Stromkabel und Anschlüsse der Waschmaschine auf Beschädigungen. Stelle sicher, dass  keine Wasserlecks vorhanden sind, die in Kontakt mit elektrischen Komponenten kommen könnten.

Hinweis: Weitere Beispiele sind möglich.