Big Bang HTL 3, Schulbuch

Grundlagen der Elektrotechnik 6 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 57 Info: Elektrisches Ventil Elektromotoren sind so sehr in deinen Alltag integriert, dass du sie nicht bewusst wahrnimmst. Du findest sie im CD-Player, in Straßenbahn und U-Bahn, in der elektrischen Zahnbürste, beim Drehteller der Mikrowelle, im Bohrer, in der Elektrosäge, im Mixer, im Staubsauger, im Aufzug oder bei Starter und Scheibenwischer eines Autos, um einige Beispiele zu nennen ( F4 ). Das Prinzip eines Elektromotors ist immer dasselbe: Er wandelt elektrische in mechanische Energie um. Er ist somit die exakte Umkehrung eines Ge- nerators. Abb. 6.9: Modell eines Universalmotors nach dem dynamo- elektrischen Prinzip: Die schwarzen Pfeile zeigen die Richtung der Lorentzkraft an. Dieser Motor läuft auch mit Wechsel- strom. 2000 Badewannen pro Sekunde Auch in den Laufkraftwerken der Donau befinden sich Ge- neratoren, die von Turbinen angetrieben werden (Abb. 6.10; F2 ). Welche Leistung diese erzeugen, kann man einfach abschätzen. In Ybbs-Persenbeug beträgt die Durchfluss- menge pro Turbine 350m 3 /s. Das entspricht 3,5 · 10 5 kg oder dem Inhalt von 2000 vollen Badewannen (175 l) pro Sekunde! Der Höhenunterschied liegt bei 10,9m. Leistung ist Arbeit pro Zeit. In diesem Fall wird Hebearbeit frei, daher gilt: P = mgh ____ t = 3,5 · 10 5 · 9,81 · 10,9 ____________ 1 W = 37,4 · 10 6 W Wenn man in Summe Leistungsverluste von 10% annimmt, dann kommt man auf eine Leistung von 33,7 · 10 6 W, also rund 34 Millionen Watt pro Turbine!! Unglaublich! Das Kraftwerk hat übrigens 7 Generatoren (davon einen noch stärkeren), und liefert in Summe etwa 240 Millionen Watt! Damit kann man 1,6 Millionen PCs mit 150W betreiben, 240.000 Toaster mit 1000W oder etwa 350.000 Haushalte mit Strom versorgen. i Abb. 6.10: Das Donauwasser betreibt Turbinen, die wiederum mit Generatoren verbunden sind. Die Achsen der Generatoren stehen senkrecht. Obwohl das Prinzip immer gleich ist, gibt es eine verwirren- de Vielzahl von Bauformen. Abb. 6.9 zeigt einen Universal- motor, der mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden kann. Das wird durch den geteilten Schleifring möglich, den man Stromwender oder Kommutator nennt. Dadurch er- folgt nach jeder halben Drehung eine Umpolung, und die Bewegungsrichtung bleibt gleich. Würde man die Leiter- schleife zum Rotieren bringen, dann würde dieser Motor wie ein Generator wirken, der pulsierenden Gleichstrom er- zeugt. Das zeigt sehr schön, dass Elektromotor und Genera- tor ein umgekehrtes Funktionsprinzip aufweisen. Abb. 6.12 zeigt den einfachsten Elektromotor der Welt. Er hat zwar keine praktische Bedeutung, aber man sieht mit seiner Hilfe direkt das Prinzip der Energieumwandlung. Elektrisches Ventil Eine Halbleiter-Diode besteht aus p- und n-dotiertem Silizium. Beide Schichten sind elektrisch neutral, aber in der n-Schicht gibt es einen Überschuss an freien Elektronen und in der p-Schicht einen Mangel (= „Elektronenlöcher“). Bei Kontakt kombinieren sich an der Grenzschicht Elektronen und Elektronenlöcher und es entsteht eine Zone ohne frei bewegliche Ladungen (grau). Durch die Verschiebung der Elektronen erhält nun aber der p-Bereich eine negative und der n-Bereich eine positive Raumladung (Abb. 6.11 a). Wenn man nun an der p-Schicht eine positive und an der n-Schicht eine negative Spannung anlegt (b), werden links die Elektronenlöcher in den negativen Bereich geschoben und rechts die Elektronen in den positiven. Die Zone ohne freie Ladungsträger verkleinert sich, die Diode lässt Strom durch. Wenn man die Spannung umgekehrt anlegt (c), dann verbreitert sich die Zone, und die Halbleiter-Diode sperrt den Strom. Sie wirkt daher wie ein elektrisches Ventil. i Abb. 6.11: Eine Halbleiterdiode ohne angelegte Spannung (a), bei Polung in Durchlassrichtung (b) und in Sperrrichtung (c): Der Pfeil des Schaltsymbols (d) zeigt in die mögliche (technische) Stromrichtung. Abb. 6.12: Der einfachste Elektromotor der Welt besteht nur aus einer Batterie, einer Eisenschraube (sie ist quasi die Leiterschleife), einem Supermagne- ten und einem Stück Draht. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv