Check-up-Lösungen: Energieversorgung

© Cornelsen\Werner Wildermuth

Unter Beachtung der Stromrichtung zeigt die „Linke-Faust-Regel“, dass der Südpol des Magnetfelds der Spule auf der Seite des Stabmagneten liegt. Damit weist der gleichnamige Pol des Stabmagneten zur Spule und der Stabmagnet wird von der Spule abgestoßen.

Bei den Bewegungen 1 – 4 ändert sich das Magnetfeld, das von der Spule umschlossen wird. Dadurch entsteht Induktionsspannung. Bei Bewegung 5 ändert sich das Magnetfeld innerhalb der Spule nicht und es wird keine Spannung induziert.

a) Fährt ein Fahrzeug über die Schleife, ändert sich aufgrund des Gehalts an ferromagnetischen Stoffen das Magnetfeld durch die Spulen. Daher wird in der oberen Spule eine Spannung induziert.

b) Der Gehalt an Eisen im Fahrradrahnen kann das Magnetfeld nicht so stark beeinflussen, dass das Signal ausgelöst wird. Man könnte die Empfindlichkeit erhöhen, sodass auch bei kleinerer Induktionsspannung bereits das Signal ausgelöst wird.

Beim Elektromotor sorgt der Kommutator dafür, dass die Stromrichtung durch den Rotor immer im passenden Moment umgekehrt wird. Ohne diese würde der Rotor stehen bleiben, sobald sich die ungleichnamigen Pole von Rotor und Stator gegenüberstehen.

Im Generatorbetrieb ändert sich durch die Drehung des Rotors im Magnetfeld ständig die Richtung des Magnetfelds relativ zur Spule. Deswegen wird ohne Kommutator eine Wechselspannung induziert. Mit Kommutator wird aus dieser Wechselspannung eine Gleichspannung.

a) Durch das Magnetfeld des Dauermagneten werden die Blechstreifen magnetisiert. Die magnetisierten Belche sorgen dafür, dass die Feldlinien von den Nordpolen über die Blechstreifen durch die Spule bis zu den Südpolen verlaufen. In der im Bild gezeigten Stellung verlaufen die Feldlinien daher von links nach rechts durch das Spuleninnere. Wenn sich der Magnet um 45° weitergedreht hat, dann verlaufen die Feldlinien von rechts nach links durch die Spule. Folglich hat sich die Richtung des Magnetfelds im Spuleninneren umgekehrt.

b) Bei jeder Umkehrung der Magnetfeldrichtung wird eine Spannung induziert. Dabei wechselt die Spannung jedes Mal ihr Vorzeichen. Also handelt es sich um eine Wechselspannung. Bei einer kompletten Umdrehung ändert sich die Magnetfeldrichtung achtmal, also wechselt die induzierte Spannung achtmal das Vorzeichen.

c) Wenn die Spannung pro Umdrehung achtmal das Vorzeichen wechselt, dann bedeutet das, dass die Spannung viermal positiv und viermal negativ ist, z. B. wie im folgenden Bild:

© Cornelsen\Tom Menzel

d) Wenn sich der Magnet schneller dreht, wechselt die Spannung schneller das Vorzeichen und der Betrag der Spannung ist größer. Mit anderen Worten, die Frequenz und die Amplitude der Wechselspannung nehmen zu.

a)

© Cornelsen\Werner Wildermuth

Die Angabe ~ 50 Hz gibt die Frequenz, d. h. die Anzahl der Umpolungen, der Wechselspannung an.

b) Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern. An der Primärspule wird eine Wechselspannung angelegt, während die Sekundärspule keine leitende Verbindung zur Primärspule hat. Durch den Wechselstrom in der Primärspule wird ein sich ständig änderndes Magnetfeld erzeugt. Dieses durchsetzt auch die Sekundärspule, wodurch sich die Anzahl der Feldlinien des Magnetfelds in der Sekundärspule mit der gleichen Frequenz wie in der Primärspule ändert. Dadurch wird eine Wechselspannung in der Sekundärspule induziert. Der Eisenkern verstärkt diesen Effekt.

c) Gegeben:

Sekundärwindungszahl \(n_\text{s} = 120 \)

Primärspannung \(U_\text{p} = 230 \, \text{V} \)

Sekundärspannung \(U_\text{s} = 9,0 \, \text{V} \)

Gesucht:

Primärwindungszahl \(n_\text{p} \)

Berechnung:

\(\frac{U_\text{s}}{U_\text{p}} = \frac{n_\text{s}}{n_\text{p}} \Rightarrow n_\text{p} = \frac{U_\text{p}}{U_\text{s}} \cdot n_\text{s} \)

\(n_\text{p} = \frac{230 \, \text{V}}{9,0 \, \text{V}} \cdot 120 \approx 3067 \)

Ergebnis:

Die Primärwindungszahl beträgt etwa 3067.

a) Die chemische Energie der Kohle wird durch das Verbrennen in Wärmeenergie umgewandelt. Diese wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und in Wasserdampf zu überführen. Der Dampf treibt eine Dampfturbine an. Die Wärmeenergie wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Dampfturbine gibt die Energie an einen Generator weiter, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt.

b) Bei der Umwandlung von Energie wird auch immer ein Teil der Energie als Abwärme an die Umgebung abgegeben. Insbesondere in der Dampfturbine geht ein großer Anteil der Energie als Wärme an die Umgebung „verloren“.

a) Mögliche Antworten:

„Warum gibt es so wenig erneuerbare Energie?“

Beispiele:

• Hohe Anfangsinvestionen schrecken viele Investoren ab.
• Der Netzausbau und Speichertechnologien sind nicht ausreichend entwickelt.

Gegenbeispiele:

• Erneuerbare Energien wachsen stetig und machen in vielen Ländern bereits einen großen Anteil aus.
• Viele Staaten fördern erneuerbare Energien finanziell und setzen auf den Ausbau.

„Neues ist unsicher.“

Beispiele:

• Ungetestete Technologien oder Systeme können unerwartete Probleme mit sich bringen.
• Fehlende Langzeiterfahrungen machen es schwierig, Risiken zuverlässig einzuschätzen.

Gegenbeispiele:

• Innovationen wie Smartphones oder das Internet haben sich schnell etabliert und bewährt.
• Sicherheitsstandards und Tests sorgen dafür, dass neue Technologien gut abgesichert sind.

„Alte Kraftwerke können über 20 Jahre laufen.“

Beispiele:

• Wasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke laufen sehr viele Jahrzehnte.
• Viele bestehende Kraftwerke sind bereits abgeschrieben und somit wirtschaftlich attraktiv.

Gegenbeispiele:

• Kernkraftwerke wurden in Deutschland abgeschaltet.
• Alte Kraftwerke sind oft ineffizienter und umweltschädlicher als moderne Alternativen.
• Wartungs- und Reparaturkosten steigen mit zunehmendem Alter erheblich.

„So manche erneuerbare Energie ist ungünstig.“

Beispiele:

• Wind- und Solarenergie sind wetterabhängig und liefern nicht konstant Strom.
• Wasserkraft kann negative Auswirkungen auf Ökosysteme und Fischpopulationen haben.
• Der Anbau von Biokraftstoffen führt zur Rodung von Wäldern und zur Verteuerung von Nahrungsmitteln.
• Geothermische Anlagen führten schon zu kleinen Erdbeben.

Gegenbeispiele:

• Speichertechnologien und intelligente Netze können Schwankungen ausgleichen.
• Der Ausbau verschiedener erneuerbarer Energien sorgt für eine stabile und vielseitige Energieversorgung.
• Windenergie verringert die Anbauflächen nicht wesentlich.

b) Mögliche Antworten:

Beispiel 1: Der Energiebedarf in Deutschland kann mit erneuerbaren Energien gedeckt werden. Diese werden durch Innovationen immer wirtschaftlicher. Daher sollten wir möglichst schnell gänzlich auf erneuerbare Energien umstellen. Denn Energie ist für viele Lebensbereiche zu wichtig, als dass man ihre Gewinnung alleine der kurzfristigen Preisentwicklung überlassen sollte. Für langfristig wirtschaftliche erneuerbare Energien ist die technologische Weiterentwicklung wesentlich.

Beispiel 2: Erneuerbare Energien sind heute teilweise noch nicht wirtschaftlich. Solange wir noch billige fossile Energie nutzen können, sollten wir das tun. Denn allein der Preis soll entscheiden.

Die Eis-Albedo-Rückkopplung ist ein klimatischer Verstärkungseffekt: Wenn Eisflächen schmelzen, verringert sich die Albedo (Reflexionsfähigkeit der Erdoberfläche). Helles Eis reflektiert einen Großteil der Sonnenstrahlung, während dunklerer Ozean oder Landflächen mehr Wärme absorbieren. Dies führt zu einer weiteren Erwärmung, die das Schmelzen von noch mehr Eis beschleunigt – ein sich selbst verstärkender Kreislauf.

Flussdiagramm:

Erwärmung der Erde

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Schmelzen von Eisflächen

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Geringere Albedo (weniger Reflexion)

\(\Downarrow \)

Stärkere Absorption durch dunklere Flächen

\(\Downarrow \)

Weitere Erwärmung

\(\Downarrow \)

Schmelzen von noch mehr Eis

a) Die Wassertemperatur im schwarzen Reagenzglas steigt schneller als die im weißen. Die Strahlung der Lampe wird vom schwarzen Reagenzglas besser absorbiert als vom weißen. Die weiße Oberfläche streut einen Teil der Strahlung. Bei der Absorption wird Energie auf das Reagenzglas übertragen, bei der Streuung nicht.

b) Durch die Bestrahlung mit der Lampe steigt zu Beginn die Temperatur des Wassers im schwarzen Reagenzglas. Nach etwa 46 Minuten nimmt die Temperatur nicht mehr weiter zu, sie bleibt konstant. Ab diesem Punkt befindet sich das Reagenzglas im Strahlungsgleichgewicht, d. h., das Reagenzglas gibt genauso viel Energie ab, wie es von der Lampe erhält.

Reihenfolge: E, B, C, D, F, H, A, G