Big Bang 7, Schulbuch

6 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektrodynamik Info: Elektrisches Ventil Elektromotoren sind so sehr in deinen Alltag integriert, dass du sie nicht bewusst wahrnimmst. Du findest sie im DVD-Player, in Straßenbahn und U-Bahn, in der elektrischen Zahnbürste, beim Drehteller des Mikrowellenherdes, 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 Umkeh- rung eines Generators. Abb. 27.9: Modell eines Universalmotors nach dem dynamo- elektrischen Prinzip: Die waagrechten 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. 27.10; F2 ). Welche Leistung diese erzeugen, kann man einfach abschätzen. Man muss dazu wissen, dass die Durchfluss- menge pro Turbine 350m 3 /s beträgt. 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 Kraft- werk Ybbs-Persenbeug hat übrigens 7 Generatoren (davon einen noch stärkeren) und liefert in Summe etwa 240 Millio- nen Watt! Damit kann man 2,4 Millionen 100W-Glühbirnen betreiben oder etwa 350.000 Haushalte mit Strom versor- gen. i Abb. 27.10: Das Donauwasser betreibt Turbinen, die wiederum mit Generatoren verbunden sind. Die Achsen der Generatoren stehen hier senkrecht, können aber auch waagrecht stehen. Obwohl das Prinzip eines Elektromotors immer gleich ist, gibt es eine verwirrende Vielzahl von Bauformen. Abb. 27.9 zeigt einen Universalmotor, der mit Gleich- und Wechsel- strom betrieben werden kann. Das ist möglich, weil der Stator, also der sich nicht drehende, äußere Teil, ein Elek- tromagnet ist. Bei Wechselstrom ändert sich somit die Polung in Rotor und Stator gleichzeitig, und dadurch bleibt die Drehrichtung erhalten. Dreht man die Leiterschleife, dann wirkt dieser Motor wie ein Generator, der pulsierenden Gleichstrom erzeugt. Das zeigt sehr schön, dass Elektro- motor und Generator ein umgekehrtes Funktionsprinzip aufweisen. Abb. 27.12 zeigt den einfachsten Elektromotor der Welt. Er hat zwar keine praktische Bedeutung, aber man sieht direkt das Prinzip der Energieumwandlung. Elektrisches Ventil Eine Halbleiter-Diode besteht aus p- und n-dotiertem Silizi- um . 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 (blau und rot). Durch die Verschie- bung der Elektronen erhält nun aber der p-Bereich eine negative und der n-Bereich eine positive Raumladung (Abb. 27.11 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. 27.11: 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) Strom- richtung. Abb. 27.12: Der einfachste Elektromotor der Welt besteht nur aus einer Batterie, einer Eisenschraube (sie ist quasi die Leiterschleife), einem Supermagneten und einem Stück Draht. Nur zu Prüfzwecke – Eigentum des Verlags öbv