Sexl Physik 7, Schulbuch

| 86 xis wird sich im Niederspannungsnetz die völlig gleiche Belastung der drei Wech- selstromkreise durch verschiedene Verbraucher nicht immer erreichen lassen, so dass der Strom im Neutralleiter nicht völlig verschwindet. Bei den Fernleitungen wird eine gleichmäßige Belastung der Außenleiter angenommen, daher tragen die Hochspannungsmasten neben einem dünnen Blitzschutzseil drei (ev. sechs) stromführende Seile, aber keinen Neutralleiter, wodurch gegenüber drei einfachen Wechselstromkreisen 50 % an Leitungsmaterial eingespart wird. Für Fernleitungen wird daher meist Drehstrom verwendet. Im Niederspannungs- netz wird der Drehstrom für den Verbraucher so transformiert, dass zwischen jedem der drei Außenleiter und dem Neutralleiter eine Spannung von 230 V liegt ( 85.4 ). Die einzelnen Geräte werden so angeschlossen, dass eine möglichst gleich- mäßige Belastung der drei Außenleiter erreicht wird ( Sternschaltung , 86.2 ). Drehstrom bietet für den Betrieb leistungsstarker Elektrogeräte einen weiteren Vorteil. Statt der Sternschaltung verwendet man für Großgeräte eine Dreieck- schaltung , bei der die Spannung jeweils zwischen zwei Außenleitern abgegriffen wird. Die effektive Spannung beträgt dabei ( 86.2 ) U 23,eff = U 2,eff sin 120° – U 3,eff sin 240° = 2 · 230 V · sin 60° = 400 V. Zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter des Drehstromes liegt die Spannung U eff = 230 V. Zwischen zwei Phasen des Drehstromes liegt die Spannung U eff = 400 V. Drehstrom weist noch einen dritten Vorteil auf. Der Aufbau von Drehstrommoto- ren ist einfach und robust. Bringen wir eine Leiterschleife in das Feld eines ro- tierenden Magneten, so beginnt die Schleife zu rotieren, wobei sie gegenüber dem Magneten etwas zurückbleibt. Statt durch Drehen eines Magneten lässt sich ein derartiges rotierendes Magnetfeld mit Hilfe von Spulen herstellen, die an die drei Außenleiter des Drehstromes angeschlossen sind. Drehstrommotore benötigen keine Stromzufuhr zu den rotierenden Teilen. Ihr Läufer besteht lediglich aus ei- nem Metallkäfig, der aus massivem Kupfer oder Aluminiumstäben hergestellt wird („Kurzschlussläufer“). 3.5 Energieversorgung Globale Energieversorgung Welche Rolle spielen Erdöl, Kernenergie und erneuerbare Energieträger in der Energienutzung, welche anderen Energieträger sind wichtig? Wer sind die größten Verbraucher, welche Energieträger nutzen sie? Werden wir auch in Zukunft un- seren Energiebedarf decken können? Kann die globale Erwärmung gestoppt und der Klimawandel gebremst werden? In diesen und vielen weiteren Fragen greifen physikalisch-technische und politische Probleme ineinander. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Primärenergie in EJ 1850 1900 1950 2000 Jahr Biomasse Kohle Öl Gas Kernenergie erneuerbare Energieformen Dampf- maschine Elektro- motor Benzinmotor Vakuumröhre kommerzielle Luftfahrt Kernenergie Microchip Fern- sehen U U 1 U 1 U 2 U 2 U 3 U 3 U U U 3 1 2 + = – Zeit t 2 3 π 86.1 Die drei Wechselspannungen des Drehstroms addieren sich (bei gleichen Verbr- auchern) zur Gesamtspannung Null. Dieser Fall wird bei Fernleitungen angenommen, weshalb der Neutralleiter eingespart werden kann. 230 V 230 V 230 V 400 V 400 V 400 V Sternschaltung Dreieckschaltung L1 L2 L3 N 86.2 Zwischen Phase und Neutralleiter liegt eine Spannung von 230 V (Sternschaltung), zwischen zwei Phasen 400 V (Dreieckschal- tung). 86.3 Versuch zum „Kurzschlussläufer“ Gas 20,9% Öl 32,8% Kohle 27,2% Kernenergie 5,8% Wasserkraft 2,3% Biobrennstoffe und Müll 10,2% erneuerbare Energien 0,8% 86.4 Weltweite Anteile der Primärenergie- träger 2008 (Quelle: Internationale Energie- agentur IEA) 86.5 Jährlicher Primärenergieverbrauch der Welt von 1850 bis 2000 in Exajoule (1 EJ = 10 18 J). Die Grafik verdeutlicht den starken Anstieg des Energieverbrauchs seit 1950. (Quelle: IEA) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv