In Elektrik 4 baust du auf zwei Vorkursen auf:
- Aus dem Magnete-Kurs: Magnete haben einen Nord- und einen Südpol. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Um einen Magneten herum gibt es ein Magnetfeld.
- Aus Elektrik 1–3: Eine Spule ist ein aufgewickelter Draht. Fließt Strom hindurch, entsteht ein Magnetfeld – je mehr Windungen n und je größer die Stromstärke I, desto stärker.
Neu hier: Was passiert, wenn man umgekehrt mit einem Magneten ein Magnetfeld in einer Spule erzeugt? Antwort: Induktion – und daraus folgt fast die gesamte heutige Stromversorgung.
Bewegt man einen Magneten in eine Spule hinein (oder hinaus), entsteht in der Spule eine Spannung – man sagt: Sie wird induziert. Fließt dabei ein Strom, spricht man von Induktionsstrom.
Wichtig: Eine Spannung wird nur induziert, solange sich das Magnetfeld in der Spule ändert (Bewegung des Magneten, Veränderung der Stromstärke in einer benachbarten Spule).
Je-desto-Beziehungen:
- Je schneller die Bewegung, desto größer die induzierte Spannung.
- Je stärker der Magnet, desto größer die Spannung.
- Je mehr Windungen die Spule hat, desto größer die Spannung.
- Fahrraddynamo: Drehender Magnet im Rad induziert Spannung in einer Spule – die Lampe leuchtet.
- Induktionsherd: Wechselndes Magnetfeld induziert Wirbelströme im Topfboden – der Topf wird heiß.
- Induktives Laden (Smartphone, E-Zahnbürste): Ohne Steckkontakt wird Energie übertragen.
Elektromotor: Umgekehrt – ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld erfährt eine Kraft (Lorentzkraft) und beginnt sich zu drehen. Energieumwandlung: elektrische Energie → mechanische Energie.
Motor und Generator sind im Grunde dasselbe Bauteil – nur die Energierichtung ist umgekehrt.
Wirkungsgrad η = abgegebene Energie / aufgenommene Energie. Ein Teil wird immer als Wärme entwertet.
- Kraftwerk: Turbine treibt Generator → liefert Strom ins Netz.
- E-Auto: Motor beim Fahren, Generator beim Bremsen (Rekuperation – die Batterie wird wieder aufgeladen).
- Waschmaschine, Bohrmaschine, Lüfter: alles Elektromotoren.
Wechselstrom (AC, _alternating current_): Richtung und Stärke ändern sich periodisch. In Deutschland: 50 Hz (50 Schwingungen pro Sekunde), Effektivspannung 230 V in der Steckdose.
Diode als Gleichrichter: Eine Diode lässt Strom nur in einer Richtung passieren. So lässt sich aus Wechselstrom Gleichstrom machen – z. B. im Netzteil eines Laptops.
- Gleichstrom: Taschenlampe, Smartphone, Elektronik im Auto (12 V).
- Wechselstrom: Hausnetz (230 V), Stromnetz.
- Netzteil: wandelt Wechselstrom in Gleichstrom (Steckdose 230 V AC → Laptop 19 V DC).
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Wechselstrom in der Primärspule erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, das in der Sekundärspule wieder eine Spannung induziert.
Übersetzungsverhältnis:
U₁ / U₂ = n₁ / n₂
- U₁, U₂ = Spannungen (Primär, Sekundär)
- n₁, n₂ = Windungszahlen
Mehr Windungen sekundär → höhere Spannung (Hochtransformieren). Weniger Windungen sekundär → niedrigere Spannung (Heruntertransformieren).
Warum Hochspannung im Stromnetz?
Die Verlustleistung in einer Leitung beträgt P_Verlust = R · I². Bei gleicher übertragener Leistung P = U · I gilt: je höher die Spannung, desto kleiner der Strom – und damit deutlich kleinere Verluste.
- Kraftwerk: ~20 kV
- Höchstspannungs-Trafo: hoch auf 380 kV (Überlandleitungen)
- Umspannwerk: runter auf 110 kV / 20 kV / 400 V
- Steckdose: 230 V (gegen Neutralleiter)
Aus Elektrik 2 weißt du: Schon 50 mA durch den Körper können tödlich sein. Bei einem typischen Körperwiderstand von 1 kΩ reichen 50 V dafür aus.
Hochspannung (> 1.000 V) ist aus mehreren Gründen besonders kritisch:
- Schon die Annäherung reicht aus – ab einigen Metern Abstand kann es zum Überschlag kommen (die Luft wird leitfähig, ein Lichtbogen entsteht).
- Beim Klettern auf Strommasten oder Bahnoberleitungen besteht Lebensgefahr ohne direkten Kontakt.
- Hochspannungstrafos sind daher immer hinter Zäunen mit Warnschildern. Die roten Blitze auf Schildern bedeuten: niemals nähern.
Beim plötzlichen Abschalten einer Spule (z. B. Magnetventil, Trafo) entsteht durch Induktion eine Spannungsspitze – oft viel höher als die ursprüngliche Spannung. In Schaltungen wird das mit einer Freilaufdiode abgefangen, in Schaltern mit Funkenstrecken. Wer ohne Schutz an einer großen Spule arbeitet, bekommt einen schmerzhaften Schlag, obwohl die Versorgung niedrig war.
Lade Aufgabe...
Strom muss in dem Moment erzeugt werden, in dem er verbraucht wird – außer er wird gespeichert.
Erzeugung:
- Erneuerbar: Wind, Photovoltaik, Wasserkraft, Biomasse
- Fossil: Kohle, Gas (CO₂-Ausstoß, endlich)
- Kernkraft (in Deutschland abgeschaltet)
Speicherung:
- Pumpspeicherkraftwerk: Wasser hochpumpen (bei Stromüberschuss), bei Bedarf wieder ablassen.
- Batterien / Akkus: für Haushalt und Elektroautos.
- Wasserstoff (H₂): per Elektrolyse erzeugen, später wieder verstromen.
Bewertung einer Energieform: ökologisch (CO₂, Eingriff in Natur), ökonomisch (Kosten), sozial (Versorgungssicherheit, Arbeitsplätze).
Über 50 % des Stroms in Deutschland stammen mittlerweile aus erneuerbaren Energien. Das Hauptproblem ist nicht mehr die Erzeugung, sondern die Speicherung und der Netzausbau – wann der Wind weht, ist nicht steuerbar.