Handreichung zum Download - Bildungsinitiative Energie
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Impressum<br />
Herausgeber: <strong>Bildungsinitiative</strong> <strong>Energie</strong><br />
Wolfgang Gärthe (Projektleitung)<br />
Euro-Schulen-Organisation GmbH<br />
Hauptstraße 23, 63811 Stockstadt<br />
Telefon 06027 4188-34, Fax 06027 4188-50<br />
info@bildungsinitiative-energie.de<br />
www.bildungsinitiative-energie.de<br />
Quelle: leXsolar GmbH c/o Technische Universität Dresden<br />
Überarbeitung: Gunnar Surek, Halle und Dr. Reinhard Tosch, Leipzig<br />
Lektorat: Birgit Kirchner, ECS – Euro-Communication-Service, Stockstadt<br />
Umschlag, Layout, Satz: UNIT – Agentur für Marketing und Werbung, Bruchsal<br />
Titelfoto: Hans Scherhaufer Fotografie, Berlin<br />
Druck: HIRSCH GmbH...Printmedien, Bretten<br />
1. Auflage 2013<br />
Copyright © <strong>Bildungsinitiative</strong> <strong>Energie</strong> – Ein Projekt der RWE Vertrieb AG
<strong>Handreichung</strong><br />
<strong>Energie</strong> im Unterricht
Inhalt<br />
Einführung<br />
Einfacher Stromkreis ..........................................................................................................................<br />
Elektrische Spannung ........................................................................................................................<br />
Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Spannungen .......................................................................<br />
Erneuerbare <strong>Energie</strong>n ........................................................................................................................<br />
Physikalisches Wirkprinzip einer Solarzelle auf Halbleiterbasis .............................................................<br />
Ursachen für „<strong>Energie</strong>verluste“ einer Solarzelle ................................................. .................................<br />
Kondensator ......................................................................................................................................<br />
Brennstoffzelle ..................................................................................................................................<br />
Literatur ............................................................................................................................................<br />
ENERGIEWANDLUNGEN<br />
Experiment 1 | <strong>Energie</strong>wandlungsprozesse zur Lichterzeugung ..................................................<br />
Experiment 2 | <strong>Energie</strong>wandlungen beim Betrieb eines Elektromotors ........................................<br />
Experiment 3 | <strong>Energie</strong>wandlung hörbar gemacht ......................................................................<br />
WINDENERGIE<br />
Allgemeine Vorbemerkungen <strong>zum</strong> Versuchskomplex „Windenergie“ .................................................<br />
Experiment 9 | Akustische Windstärkeanzeige ............................................................................<br />
Experiment 10 | Windstärkeanzeige mittels Leuchtdiode (LED) .....................................................<br />
Experiment 11 | Windrichtung und <strong>Energie</strong>ausbeute ....................................................................<br />
ENERGIESPEICHERUNG<br />
Experiment 12 | <strong>Energie</strong>speicher für Solaranlage ..........................................................................<br />
Experiment 13 | <strong>Energie</strong>speicher für Windkraftanlage ...................................................................<br />
BRENNSTOFFZELLE<br />
Experiment 14 | Wasserzerlegung mittels Elektrolyseur? ...............................................................<br />
Experiment 15 | Brennstoffzelle als Motorantrieb .........................................................................<br />
Experiment 16 | Tonerzeugung im Lautsprecher als Brennstoffzelle ..............................................<br />
ENERGIE SPAREN<br />
Experiment 17 | <strong>Energie</strong>bedarf verschiedener Verbraucher<br />
Notizen<br />
........................................................................................................................................<br />
SOLARENERGIE<br />
Experiment 4 | Solarbetriebener Elektromotor ............................................................................<br />
Experiment 5 | Solarbetriebene Schallquelle ...............................................................................<br />
Experiment 6 | Solarbetriebene Lichtquelle ................................................................................<br />
Experiment 7 | Von der Solarzelle <strong>zum</strong> Solarmodul .....................................................................<br />
Experiment 8 | Teilverschattung von Solarzelle und Solarmodul ..................................................<br />
...........................................................<br />
..............................................................................................................................................<br />
5<br />
6<br />
7<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
14<br />
15<br />
16<br />
17<br />
18<br />
20<br />
22<br />
24<br />
26<br />
30<br />
31<br />
32<br />
33<br />
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37<br />
38<br />
39<br />
39<br />
40<br />
41
Einführung<br />
Einführung<br />
Die Fähigkeit eines Körpers, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden, wird<br />
als <strong>Energie</strong> bezeichnet.<br />
In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller <strong>Energie</strong>n stets konstant, d. h. die Gesamtenergie im System<br />
bleibt erhalten. Dieses wichtige Naturgesetz wurde von Julius Robert Mayer (1814 bis 1878) sowie James<br />
Prescott Jule (1818 bis 1889) entdeckt.<br />
Der Gedanke, dass eine <strong>Energie</strong>form in andere <strong>Energie</strong>formen wandelbar ist, wurde von Hermann von Helmholtz<br />
(1821 bis 1894) entwickelt.<br />
In dieser <strong>Handreichung</strong> werden Versuche beschrieben, in denen auf verschiedene Art und Weise Primärenergien<br />
in andere <strong>Energie</strong>formen gewandelt werden. Leicht verständlich bildet „einfacher Stromkreis" wichtige<br />
elektrotechnische Prozesse wie <strong>Energie</strong>wandlung, <strong>Energie</strong>transport sowie <strong>Energie</strong>speicherung ab.<br />
Durch Einsatz verschiedener <strong>Energie</strong>quellen wie Licht, Wind oder bloße Muskelarbeit werden in diversen Versuchsanordnungen<br />
elektrische Spannungen erzeugt, die wiederum im „einfachen Stromkreis" <strong>zum</strong> Betrieb ausgewählter<br />
elektrischer Verbraucher (Elektromotor, Lautsprecher oder einer Lampe bzw. Leuchtdiode) dienen.<br />
Bei der Realisierung unterschiedlicher <strong>Energie</strong>wandlungsketten wird der <strong>Energie</strong>fluss von der Primärenergie<br />
zur Nutzenergie bei der Versuchsdurchführung nicht nur veranschaulicht, sondern aktiv erlebbar gemacht.<br />
Ziel der Versuche ist es, die aktive Auseinandersetzung des Lernenden mit dem Themenfeld „<strong>Energie</strong>" und<br />
den damit verbundenen physikalisch-technischen Erkenntnisgewinn durch „Begreifen" zu fördern und zu<br />
festigen.<br />
Wir wünschen Ihnen Spannung und Freude beim Experimentieren sowie Erfahrungs- und Wissenszuwachs.<br />
Wolfgang Gärthe Dr. Markus Mönig<br />
Geschäftsführer Geschäftsführer<br />
Euro-Schulen-Organisation GmbH RWE <strong>Energie</strong>dienstleistungen GmbH<br />
Weiterführende Informationen finden Sie auf unserer Homepage: www.bildungsinitiative-energie.de.<br />
5
Einfacher Stromkreis<br />
Einfacher Stromkreis<br />
Ein Stromkreis, der aus einer elektrischen Spannungsquelle und einem elektrischen Verbraucher besteht, die<br />
durch elektrische Leiter miteinander verbunden sind, bezeichnet man in der Elektrotechnik als einfachen Stromkreis.<br />
Ein einfacher Stromkreis besitzt keinen Schalter.<br />
Im Sinne dieser Definition lassen sich in Versuchsanordnungen der Experimente 1 bis 17 durch wahlweises<br />
Verbinden der jeweiligen Spannungsquellen mit den entsprechenden Verbrauchern mittels elektrischer Leitungen<br />
einfache Stromkreise modular zusammenstellen.<br />
6
Elektrische Spannung<br />
Weisen zwei Punkte des Raumes bezüglich eines gemeinsamen Bezugspunktes (Erde mit Nullpotenzial) gegenseitig<br />
unterschiedlich große elektrische Potenziale auf, so besteht zwischen beiden eine sogenannte Potenzialdifferenz,<br />
die als elektrische Spannung bezeichnet wird. Als Potenzial bezeichnet man in der<br />
Elektrotechnik den Ladungsunterschied zwischen einem elektrisch geladenen Körper und Erde (Masse) oder<br />
einem anderen Bezugspunkt /1/.<br />
Das Potenzial ist stets mit einem Vorzeichen behaftet und hat die Einheit Volt (V). Erde bzw. Masse hat das Potenzial<br />
Null Volt.<br />
Eine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer elektrischen Spannung ist die Trennung von positiven<br />
und negativen Ladungen. Dazu ist <strong>Energie</strong> aufzuwenden.<br />
Ein elektrischer Strom fließt in einem geschlossenen Stromkreis nur so lange, wie eine bestimmte Ursache vorhanden<br />
ist, welche die Elektronen in Gang bringt und ihre Bewegung aufrechterhält (vgl. auch /2/). Ohne auf<br />
die physikalische Eigenart der sich hierbei abspielenden Vorgänge einzugehen, bezeichnet man diese Ursache<br />
allgemein als elektrische Urspannung. Die Urspannung ist die Ursache des elektrischen Stromes. Vorrichtungen,<br />
die in der Lage sind, eine Urspannung zu erzeugen, nennt man Spannungsquellen. Die Technik verwendet<br />
hierzu galvanische Elemente (Batterien), Akkumulatoren, Dynamomaschinen (Elektrogeneratoren, ...) und<br />
nicht zuletzt Solarzellen bzw. Solarmodule. Bildlich gesprochen, kann man jede Spannungsquelle als eine<br />
Pumpe betrachten, die den elektrischen Strom in den Leitungsdrähten in Bewegung setzt und erhält /2/. Die<br />
hierzu nötigen Elektronen sind in den stromdurchflossenen Leitungen als sogenannte freie Elektronen von<br />
vornherein vorhanden.<br />
Stoffe, die eine hohe Anzahl freier Ladungsträger (bei Metallen sind dies die Elektronen) enthalten, nennt man<br />
elektrische Leiter. Stoffe, die neben den gebundenen Ladungsträgern nur wenige freie Elektronen besitzen, werden<br />
dagegen Nichtleiter genannt /1/.<br />
Die Spannungsquelle fügt keine Elektronen hinzu, sie sorgt nur für die Bewegung der Ladungsträger. Hierzu<br />
muss aber <strong>Energie</strong> aufgewandt werden. Das geht in allen Spannungsquellen so vor sich, dass bestimmte Kräfte<br />
auf die ursprünglich vereinigten positiven und negativen Ladungen einwirken. Sie wirken deren gegenseitiger<br />
Anziehungskraft entgegen und führen damit eine räumliche Trennung der Ladungen Plus und Minus herbei /2/.<br />
Ist nun die Spannungsquelle Bestandteil eines einfachen elektrischen Stromkreises, dann fließt der Strom der<br />
Ladungsträger (Elektronen) von der Spannungsquelle durch die Leitung hin <strong>zum</strong> Verbraucher und wieder zurück<br />
zur Spannungsquelle. Die Leitungen dienen <strong>zum</strong> „Stromtransport" zwischen Spannungsquelle und Verbraucher<br />
/1/. Es wird zwischen Hin- und Rückleitung unterschieden.<br />
Hinleitung: Stromtransport von der Spannungsquelle <strong>zum</strong> Verbraucher<br />
Rückleitung: Stromtransport vom Verbraucher zur Spannungsquelle<br />
Elektrische Spannung<br />
Der Verbraucher (z. B. Lampe, Widerstand, Motor, ...) wandelt die elektrische <strong>Energie</strong> in andere <strong>Energie</strong>formen<br />
um (z. B. in Licht-, Wärme- oder Bewegungsenergie, ...).<br />
7
Elektrische Spannung<br />
Am Pluspol der Spannungsquelle (Anode) überwiegen die positiven Ladungen, dort herrscht also Elektronenmangel.<br />
Am Minuspol der Spannungsquelle (Katode) überwiegen die negativen Ladungen (Elektronen). Dieser<br />
Ladungsunterschied zwischen den Polen der Spannungsquelle hat das Bestreben sich auszugleichen. Dieser<br />
Ausgleich gelingt, wenn die Pole der Spannungsquelle sinnvollerweise über einen Verbraucher miteinander<br />
verbunden werden, so dass der Stromkreis geschlossen ist. Die Elektronen bewegen sich dann vom Ort des Elektronenüberschusses<br />
(Minuspol) <strong>zum</strong> Ort des Elektronenmangels (Pluspol) durch den Leiter. Es fließt ein elektrischer<br />
Strom von Minus nach Plus. In metallischen Leitern stellt der elektrische Strom eine gerichtete<br />
Bewegung von Elektronen dar.<br />
Zur Zeit der Festlegung der Stromrichtung bestand noch keine Kenntnis der Elektronentheorie. Daher wurde<br />
die Bewegungsrichtung positiver Metallionen in einem Elektrolyten als Stromrichtung zugrunde gelegt. Diese<br />
Definition der sogenannten technischen Stromrichtung von Plus nach Minus ist im Widerspruch zur physikalischen<br />
Wirklichkeit die gültige Stromrichtung, d. h. vereinbarungsgemäß fließt außerhalb der Spannungsquelle<br />
der Strom vom Pluspol <strong>zum</strong> Minuspol, innerhalb der Spannungsquelle vom Minuspol <strong>zum</strong> Pluspol.<br />
8
Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Spannungen<br />
Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Spannungen<br />
Elektrische Spannungen lassen sich im einfachsten Fall durch Aneinanderreiben zweier verschiedener nichtleitender<br />
Stoffe (z. B. van der Waals-Generator /2/) erzeugen. Durch Elektronenübertragung von einem Stoff<br />
<strong>zum</strong> anderen entsteht eine Ladungstrennung.<br />
Eine technisch relevante Form der elektrischen Ladungstrennung ist der von Michael Faraday 1831 entdeckte<br />
Vorgang der elektromagnetischen Induktion. In diesem Fall geschieht die elektrische Ladungstrennung z. B. in<br />
einer in einem Magnetfeld rotierenden Leiterschleife bzw. Spule (Läufer). Infolge der Leiterbewegung im Magnetfeld<br />
werden die freien Elektronen aufgrund der Wirkung einer Kraft (Lorenzkraft) abgelenkt. In dem im<br />
Magnetfeld rotierenden Läufer verursacht dieser Vorgang eine Ladungstrennung. In der Folge entsteht an den<br />
Leiterschleifenenden eine elektrische Spannung, die ihre Polarität periodisch wechselt.<br />
Beim geschlossenen Stromkreis fließt ein Induktionsstrom. Dieser Vorgang wird in der Physik auch als Generatorprinzip<br />
bezeichnet.<br />
Der in den verschiedenen Experimenten zu verwendende Handkurbelgenerator (Dynamo) basiert auf dem beschriebenen<br />
elektromagnetischen Induktionsprinzip.<br />
Nach der Erfindung des elektrodynamischen Prinzips von Werner von Siemens (1866) wird der im Läufer fließende<br />
Induktionsstrom auch zur Erregung des Feldmagneten verwendet. Seitdem spielen Generatoren bei der<br />
großtechnischen Spannungserzeugung eine wesentliche Rolle.<br />
9
Erneuerbare <strong>Energie</strong>n<br />
Erneuerbare <strong>Energie</strong>n<br />
Bei der Spannungserzeugung aus erneuerbaren <strong>Energie</strong>n werden <strong>Energie</strong>träger eingesetzt, die ihren <strong>Energie</strong>inhalt<br />
ständig erneuern, d. h. praktisch unerschöpflich sind. Diese <strong>Energie</strong>träger nennt man regenerative <strong>Energie</strong>träger.<br />
Sie beziehen ihren <strong>Energie</strong>inhalt im Wesentlichen aus der Sonnenenergie, aus der Wind- oder aus der<br />
Wasserkraft. Eine Übersicht über die Stromerzeugungen aus regenerativen <strong>Energie</strong>n findet man z. B. in /3/.<br />
Fotovoltaikanlagen wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische <strong>Energie</strong> um. Hauptbestandteile dieser Anlagen<br />
sind Solarzellen, die großtechnisch in Reihe zu Solarmodulen zusammengeschaltet werden, so dass sich<br />
die Solarzellenspannungen zur Gesamtspannung in Solarmodulen addieren (2. Kirchhoffsche Regel oder Maschensatz).<br />
Die physikalische Grundlage des fotovoltaischen Wirkungsprinzips basiert auf der Entdeckung des fotoelektrischen<br />
Effekts, insbesondere des inneren lichtelektrischen Effekts durch W. Smith im Jahr 1873 /1/. Er fand<br />
heraus, dass sich der Ohmsche Widerstand von Selen bei Lichteinfall stark verringert. Zwei Jahre später entdeckten<br />
die Engländer W. G. Adams und R. E. Day ein weiteres Phänomen: Sie hatten an den Enden eines kleinen<br />
Selenstabes Platindrähte eingeschmolzen. Wurde ein Ende des Selenstabes beleuchtet, so entstand eine<br />
Potenzialdifferenz an den Selenstabenden. Damit hatten die beiden Engländer eine völlig neue Form einer<br />
Spannungsquelle erfunden - das Fotoelement. Die Fotoelemente wurden im Laufe der Zeit immer weiterentwickelt<br />
/1/.<br />
10
Physikalisches Wirkprinzip einer Solarzelle auf Halbleiterbasis<br />
Physikalisches Wirkprinzip einer Solarzelle auf Halbleiterbasis<br />
Eine Foto- oder Solarzelle entspricht in ihrem Aufbau einer Diode. Wie bei einer Diode grenzt ein p-leitender<br />
(p - positiv) Halbleiterbereich an einen n-leitenden (n - negativ) Halbleiterbereich. Ein wichtiger Halbleiterwerkstoff<br />
ist das Silicium. Der spezifische Widerstand von Halbleiterwerkstoffen liegt zwischen dem elektrischer<br />
Leiter (Metalle) und dem von Nichtleitern. Fügt man dem reinen vierwertigen Silicium einen geringen<br />
Fremdstoffanteil dreiwertiger Atome (z. B. Bor) zu, dann steigt die elektrische Leitfähigkeit um das Tausendfache.<br />
Es entsteht durch diesen Dotiervorgang ein p-Leiter. Dotiert man Silicium mit fünfwertigen Fremdatomen<br />
(z. B. Phosphor), erhält man dagegen einen n-Leiter.<br />
Die durch Dotieren entstandenen p- und n-Leiter bleiben weiter nach außen hin neutral. Wenn sich aber pund<br />
n-Silicium berühren, setzt zunächst ein Diffusionsvorgang ein, d. h. freie Elektronen aus der n-Schicht wandern<br />
durch die Grenzfläche in die p-Schicht und füllen dort die positiv geladenen Löcher.<br />
Es entsteht somit an der Grenzfläche zwischen p- und n-Schicht eine ladungsneutrale Zone, die elektrisch nicht<br />
leitet. Man nennt diese neutrale Zone auch Sperrschicht. Durch Beleuchtung der Solarzelle trifft ein Teil des<br />
Lichts auch auf die Sperrschicht. Die Lichtteilchen (Photonen) treffen hier auf die Siliciumatome mit ihren Bindungselektronen.<br />
Durch die einfallenden Photonen erhalten einige dieser Elektronen genügend <strong>Energie</strong>, um<br />
sich von den Siliciumatomen zu lösen. Das Ergebnis dieses Vorganges ist die Entstehung eines freien Elektrons<br />
und eines positiven Loches bzw. einer Elektronenlücke. Infolgedessen entsteht in der Sperrschicht ein elektrisches<br />
Feld, das eine Ladungstrennung hervorruft /1/. Dieser Vorgang wird als innerelektrischer oder innerer<br />
Fotoeffekt bezeichnet. Schließt man einen Verbraucher (z. B. Elektromotor) an die Fotozelle an, entsteht ein geschlossener<br />
Stromkreis und es fließt ein sogenannter Fotostrom durch den Motorläufer, der die Motorwelle<br />
nach dem elektromotorischen Prinzip /3/ in Rotation versetzt. Das elektromotorische Prinzip stellt die Umkehrung<br />
des Generatorprinzips dar, d. h. der durch den Läufer fließende Fotostrom führt <strong>zum</strong> Aufbau eines<br />
Magnetfeldes um die Leiterschleifen des Läufers. Das Läuferfeld und das äußere Magnetfeld überlagern sich.<br />
Als Ergebnis bilden sich eine geschwächte und eine verstärkte Zone im resultierenden Magnetfeld heraus,<br />
wobei der Läufer in Richtung geschwächter Zone gelenkt wird und sich mit Motorwelle zu drehen beginnt.<br />
11
Ursachen für „<strong>Energie</strong>verluste“ einer Solarzelle<br />
Ursachen für „<strong>Energie</strong>verluste“ einer Solarzelle<br />
1. Der größte „<strong>Energie</strong>verlust“ ist durch teilweise Wiedervereinigungen (Rekombinationen) der in der Solarzelle<br />
erzeugten Elektron-Loch-Paare bedingt. Die freien Elektronen werden vor allem dann sofort wieder in<br />
Elektronenlücken gebunden, wenn die Paarbildung außerhalb der Sperrschicht erfolgt /1/.<br />
2. Nur der sichtbare sowie infrarote Teil des Sonnenlichtspektrums ist in der Lage, den inneren lichtelektrischen<br />
Effekt auszulösen.<br />
3. Lichtreflexionen an den Fotomoduloberflächen führen zu weiteren „<strong>Energie</strong>verlusten“. Je schräger der Lichteinfall<br />
auf ein Fotomodul, desto größer werden die Reflexionsverluste.<br />
12
Kondensator<br />
Kondensator<br />
Kondensatoren bestehen im einfachsten Fall aus zwei Platten oder Folien (Belägen), die durch eine isolierende<br />
Schicht (Dielektrikum) voneinander getrennt sind /1/. Durch Anlegen einer Spannung am Kondensator werden<br />
die Moleküle des Dielektrikums polarisiert. Die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zwischen den Belägen<br />
entstandenen elektrischen Dipole bewirken, dass zusätzlich Ladungen auf den Kondensatorbelägen gebunden<br />
werden können.<br />
Der Kondensator speichert die <strong>zum</strong> Aufladen aufgewandte <strong>Energie</strong> als elektrische Feldenergie. Ein Maß für das<br />
Speichervermögen elektrischer <strong>Energie</strong> eines Kondensators ist die Kapazität. Die Kapazität gibt die Eigenschaft<br />
eines Kondensators an, unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung elektrische Ladungen und somit elektrische<br />
<strong>Energie</strong> speichern zu können. Die Kapazität wird in Farad angegeben.<br />
Der Kondensator stellt nach dem Aufladevorgang selbst eine Spannungsquelle dar. Seine Spannung steigt<br />
beim Aufladevorgang an und ist der angelegten Spannung entgegengerichtet. Erreicht die Gegenspannung des<br />
Kondensators den gleichen Betrag wie die angelegte Spannung, dann fließt kein Strom mehr – der Kondensator<br />
ist geladen. Bildet man einen einfachen Stromkreis aus einem aufgeladenen Kondensator und einem Lämpchen,<br />
dann fließt durch die Leitungen und die Lämpchenwendel der Kondensatorentladestrom. Das Lämpchen<br />
leuchtet so lange, bis der Kondensator entladen ist. Der Entladevorgang lässt sich auch durch Verwendung<br />
eines Lautsprechers als Verbraucher demonstrieren. Hier ist die schwächer werdende Lautstärke des Lautsprechertons<br />
ein akustisches Indiz für den abnehmenden Entladestrom (vgl. Experimente 12 und 13).<br />
13
Brennstoffzelle<br />
Brennstoffzelle<br />
Eine Brennstoffzelle ist eine technische Anordnung, mit deren Hilfe aus Wasserstoff und Sauerstoff eine elektrische<br />
Spannung erzeugt werden kann /4/. Ihre Erfindung geht auf den Engländer W. Grove im Jahr 1839 zurück.<br />
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, elektrochemisch verbunden mit einem Elektrolyten.<br />
Die Anode wird mit dem Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und die Katode mit Sauerstoff versorgt.<br />
Die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle läuft wie folgt ab:<br />
An der Anode gibt der molekulare Wasserstoff Elektronen ab und wird ionisiert.<br />
Die frei gewordenen Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Katode und verrichten<br />
Arbeit.<br />
An der Katode nimmt molekularer Sauerstoff die Elektronen auf und wird ionisiert.<br />
Die Sauerstoff-Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Anode und vereinigen sich dort schließlich<br />
mit den Wasserstoff-Ionen.<br />
Als Gesamtreaktion entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff das Oxidationsprodukt Wasser und nebenbei elektrische<br />
Spannung. Eine einzelne Zelle liefert eine Spannung von 0,6 V bis 0,9 V. Durch Reihenschaltung solcher<br />
Zellen addieren sich die Einzelspannungen. Man erreicht Spannungen bis ca. 200 V /4/. Brennstoffzellen sind<br />
sehr umweltfreundlich und weisen darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad von 35 – 85 % auf /4/. Derzeitige<br />
Nachteile stellen vor allem die hohen Produktionskosten dar.<br />
Literatur<br />
/1/ Grundstufe Elektrotechnik; Ernst Klett Verlag für Wissen und Bildung GmbH;<br />
Stuttgart und Dresden 1991; 1. Auflage; ISBN: 3-12-870400-7<br />
/2/ Lindner, H.; Lehrbuch der Physik für Ingenieur- und Fachschulen;<br />
VEB Fachbuchhandlung Leipzig<br />
/3/ Fachkunde Elektrotechnik; Verlag Europa-Lehrmittel<br />
/4/ Duden Physik Gesamtband Sekundarstufe I; Duden Paetic GmbH;<br />
Berlin 1. Auflage 2005<br />
14
Experiment 1<br />
<strong>Energie</strong>wandlungsprozesse zur Lichterzeugung<br />
Im Experiment 1 wird ein Beleuchtungsmodul an einen Handkurbelgenerator direkt angeschlossen. Durch kräftiges<br />
Drehen der Handkurbel fließt infolge der im Handkurbelgenerator erzeugten elektrischen Spannung ein<br />
Induktionsstrom, der die Lampen des an den Generator angeschlossenen Beleuchtungsmoduls <strong>zum</strong> Leuchten<br />
bringt.<br />
In diesem Versuch stehen die <strong>Energie</strong>wandlungen<br />
mechanische in elektrische <strong>Energie</strong><br />
elektrische <strong>Energie</strong> in Licht- und Wärmeenergie<br />
im Vordergrund.<br />
<strong>Energie</strong>wandlungsprozesse im System Handkurbelgenerator<br />
mit angeschlossenem Beleuchtungsmodul<br />
ENERGIEWANDLUNGEN<br />
Manuelles Drehen der Kurbel bewirkt eine Zufuhr von mechanischer <strong>Energie</strong> in den Handkurbelgenerator. Infolgedessen<br />
wird im Generator nach dem elektromagnetischen Induktionsprinzip mechanische <strong>Energie</strong> in Elektroenergie<br />
gewandelt (vgl. Möglichkeiten zur Erzeugung von elektrischen Spannungen).<br />
Die elektrische <strong>Energie</strong> wird ihrerseits in den Lampen des an den Handkurbelgenerator angeschlossenen Beleuchtungsmoduls<br />
in Licht- und Wärmeenergie gewandelt. Die stromdurchflossene dünne Lichtwendel der<br />
Lampe strahlt nun Wärme sowie Licht ab (Wärme- und Lichtemission). In Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit<br />
der Handkurbel verändert sich die Helligkeit des von den Lampen abgegebenen Lichts.<br />
Schnelleres Drehen bewirkt einen Helligkeitsanstieg. Gleichzeitig ist eine größere Erwärmung der Lampen zu<br />
beobachten.<br />
Der Experimentator sollte einen Zusammenhang zwischen der Quantität der zugeführten mechanischen <strong>Energie</strong><br />
und der vom System abgegebenen Licht– und Wärmeenergie herstellen. Eine Folgeerkenntnis könnte sein,<br />
dass <strong>Energie</strong>wandlungsprozesse im System immer mit „<strong>Energie</strong>verlusten“ an die Umgebung einhergehen.<br />
15<br />
Experiment 1
Experiment 2<br />
ENERGIEWANDLUNGEN<br />
Experiment 2<br />
<strong>Energie</strong>wandlungen beim Betrieb eines Elektromotors<br />
Im Experiment 2 dient ein Elektromotor, auf dessen Welle eine Farbscheibe aufzustecken ist, als elektrischer Verbraucher.<br />
Auf die für dieses Experiment vorgefertigte Grundplatte ist der Motor an den Handkurbelgenerator anzuschließen,<br />
so dass ein einfacher Stromkreis entsteht. Beim Anschluss ist zu beachten, dass der Stecker der<br />
schwarzen Motorleitung in die schwarze Buchse und der Stecker der roten Motorleitung in die rote Buchse einzuführen<br />
ist. Analog verfährt man mit den elektrischen Hin- und Rückleitungen des Handkurbelgenerators. Die<br />
elektrischen Anschlussbuchsen für die Spannungsquelle und den Verbraucher sind in verschiedenen Durchmessern<br />
ausgeführt (größere Buchsendurchmesser für den Generator), so dass es zu keinen Verwechslungen<br />
beim Anschließen der einzelnen Module kommt und der Aufbau nahezu selbsterklärenden Charakter aufweist.<br />
Anhand des Experiments 2 lässt sich die Wandlung der durch Betätigung der Handkurbel dem Generator zugeführten<br />
mechanischen in elektrische <strong>Energie</strong> auf der Grundlage der elektromagnetischen Induktion sowie umgekehrt<br />
die Wandlung der elektrischen <strong>Energie</strong> in Bewegungsenergie im Motor, beobachtbar an der<br />
Farbscheibenrotation an der Motorwelle, anschaulich demonstrieren.<br />
Auch in diesem Versuch sollte die Erklärung der physikalischen Wirkprinzipien im Vordergrund stehen:<br />
Durch Betätigung der Handkurbel wird im Läufer des Generators eine elektrische Spannung induziert (vgl. Möglichkeiten<br />
zur Erzeugung von elektrischen Spannungen). Diese Spannung liegt während des Kurbelvorganges<br />
an den Anschlussbuchsen des Elektromotors (rote Buchse = Plus; schwarze Buchse = Minus) an. Der durch die<br />
Induktionsspannung des Handkurbelgenerators hervorgerufene Induktionsstrom fließt durch den Motorläufer<br />
und erzeugt um den Läufer ein Magnetfeld, das sich dem äußeren Magnetfeld des Festmagneten überlagert.<br />
Aufgrund der Magnetfeldüberlagerung ergibt sich auf einer Seite des Läufers eine Feldverstärkung und auf der<br />
anderen Seite des Läufers eine Schwächung des resultierenden Magnetfeldes. Durch ständige Ablenkung des<br />
Motorläufers in Richtung der geschwächten Magnetfeldzone entsteht während des Kurbelvorganges eine permanente<br />
Rotationsbewegung der Welle, beobachtbar an der Farbscheibendrehung.<br />
Schnellere Kurbelbewegung am Handgenerator erzeugt eine Zunahme der Kreisgeschwindigkeit des Flügelrades,<br />
so dass qualitativ ein Zusammenhang zwischen zugeführter (Handkurbelmotor) und abgegebener <strong>Energie</strong><br />
(Motorwelle mit Flügelrad) sichtbar wird.<br />
16
Experiment 3<br />
<strong>Energie</strong>wandlung hörbar gemacht<br />
ENERGIEWANDLUNGEN<br />
Im dritten Experiment wird zunächst der Handkurbelgenerator, der wie in den Experimenten 1 und 2 als Spannungsquelle<br />
dient, an entsprechende Buchsen auf der für diesen Versuch vorgefertigten Grundplatte angeschlossen.<br />
Als elektrischer Verbraucher dient ein Lautsprecher, der mit der Grundplatte fest verbunden ist.<br />
Durch farbrichtiges Einstecken der Hin- und Rückleitung des Handkurbelgenerators (Stecker der schwarzen Leitung<br />
in schwarze Buchse; Stecker der roten Leitung in rote Buchse) wird der einfache Stromkreis geschlossen.<br />
Kräftige Kurbelbewegungen bewirken das Aussenden eines hohen Tonsignals am Lautsprecher. Vertauscht<br />
man die Leiter, also roter Leiter in schwarze Buchse, schwarzer Leiter in rote Buchse, wird kein Ton ausgesendet.<br />
Wie schon in den Experimenten 1 und 2 wird mit dem Handkurbelgenerator eine elektrische Spannung induziert.<br />
Der Induktionsstrom fließt <strong>zum</strong> Lautsprecher, wo die elektrische <strong>Energie</strong> in mechanische <strong>Energie</strong> in Form<br />
von Lautsprechermembranschwingungen gewandelt wird. Diese Membranschwingungen führen letztlich zur<br />
Entstehung von Schallwellen in der Luft, die in unserem Ohr zur Schwingung des Trommelfells führen, die wir<br />
als Ton wahrnehmen. Je schneller die Kurbelbewegung, desto lauter hören wir den Ton.<br />
Auch hier zeigt sich der Zusammenhang zwischen der dem System Handkurbelgenerator – Lautsprecher zugeführten<br />
mechanischen <strong>Energie</strong> und der am Lautsprecher abgeführten Schallenergie.<br />
17<br />
Experiment 3
Experiment 4<br />
SOLARENERGIE<br />
Experiment 4<br />
Solarbetriebener Elektromotor<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsquelle<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
18<br />
starke Leuchte (auch Taschenlampe möglich)<br />
Hinweis:<br />
Ausgangspunkt ist, dass die Solarzelle farbrichtig auf<br />
die Grundeinheit gesteckt wird:<br />
rot = Pluspol, schwarz = Minuspol.<br />
Bei Verwendung des weißen Kurzschlusssteckers haben<br />
dann jedoch beide inneren Anschlüsse gleiches Potenzial,<br />
obwohl sie unterschiedliche Farben haben. Beim<br />
Aufstecken des Motormoduls ergibt sich folgende Situation:<br />
Wird das Motormodul farbrichtig auf die Grundeinheit<br />
gesteckt, so liegt am Pluspol des Motors negatives<br />
Potenzial an.<br />
Wird das Motormodul so aufgesteckt, dass der Pluspol<br />
auch tatsächlich positives Potenzial bekommt, stimmen<br />
die Farben nicht mehr.<br />
Auf die eigentliche Funktion des Motors und die Aussage<br />
des Experimentes hat dies keinen Einfluss, lediglich<br />
die Drehrichtung des Läufers ändert sich.<br />
Versuchsteil Ergebnisse Hinweise<br />
A<br />
Beleuchtungsmodul<br />
direkt auf der Solarzelle<br />
schon bei mittlerer Drehzahl<br />
mit dem Handgenerator dreht<br />
sich der Propeller zügig<br />
schnelleres Kurbeln bleibt<br />
ohne Effekt, da die Leistungsfähigkeit<br />
der Solarzelle erreicht<br />
ist und eine derart kleine<br />
Steigerung der Drehzahl des<br />
Propellers optisch nicht mehr<br />
wahrgenommen werden kann<br />
das Beleuchtungsmodul verrutscht<br />
sehr leicht und sollte generell fixiert<br />
werden<br />
in Verbindung mit dem Motor leistet<br />
die Solarzelle maximal 0,55 V<br />
für Werte um 0,45 V genügt bereits<br />
Kurbeln mit 1,5 Hz<br />
eine Steigerung der Drehzahl der<br />
Kurbel von 2 bis 4 U/s erhöht zwar<br />
die Helligkeit des Beleuchtungsmoduls,<br />
lässt aber den Propeller<br />
nicht schneller drehen, da die<br />
Leistungsfähigkeit der Solarzelle<br />
erreicht ist
Versuchsteil Ergebnisse Hinweise<br />
B<br />
Beleuchtungsmodul<br />
anheben<br />
Propeller wird langsamer<br />
und bleibt schließlich stehen<br />
SOLARENERGIE<br />
kurbelt man mit 1,5 Hz, so kann<br />
das Beleuchtungsmodul etwa 2 cm<br />
angehoben werden, bis der Propeller<br />
stehen bleibt<br />
Kurbeln mit 4 Hz ermöglicht<br />
einen Abstand Beleuchtungsmodul –<br />
Solarzelle bis 9 cm<br />
Mögliche Auswertung:<br />
Beobachtbar ist, dass die Solarzelle nur dann genügend <strong>Energie</strong> wandelt, wenn das eingestrahlte Licht eine<br />
gewisse Mindestintensität hat.<br />
Steigt die Intensität, so steigt auch die Leistungsabgabe der Solarzelle. Ersichtlich wird dies daraus, dass durch<br />
verschieden schnelles Kurbeln auch verschiedene Drehzahlen des Propellers reproduziert werden können.<br />
Wird der Abstand Solarzelle – Lichtquelle erhöht, so nimmt die Beleuchtungsstärke quadratisch mit der Entfernung<br />
der Lichtquelle ab. Die <strong>Energie</strong>versorgung des E-Motors verringert sich und der Propeller dreht sich<br />
langsamer.<br />
19<br />
Experiment 4
Experiment 5<br />
SOLARENERGIE<br />
Experiment 5<br />
Solarbetriebene Schallquelle<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsquelle<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
20<br />
starke Leuchte (auch Taschenlampe möglich)<br />
Hinweis:<br />
Ausgangspunkt ist wieder, dass die Solarzelle farbrichtig<br />
auf die Grundeinheit gesteckt wird.<br />
Das Lautsprechermodul muss nun so aufgesteckt werden,<br />
dass der positive Anschluss ebenfalls innen liegt,<br />
so dass die positiven Anschlüsse beider Module miteinander<br />
verbunden sind.<br />
Versuchsteil Ergebnisse Hinweise<br />
A<br />
Beleuchtungsmodul<br />
direkt auf dem Solarmodul<br />
B<br />
Beleuchtungsmodul<br />
anheben<br />
das Lautsprechermodul gibt<br />
einen Intervallton von mittlerer<br />
Lautstärke ab<br />
schnelleres Kurbeln bleibt<br />
ohne Effekt, da die Leistungsfähigkeit<br />
der Solarzelle erreicht<br />
ist und eine derart kleine<br />
Steigerung der Drehzahl des<br />
Propellers optisch nicht mehr<br />
wahrgenommen werden kann<br />
die Lautstärke wird geringer<br />
die Intervalle verkürzen sich<br />
gleichzeitig<br />
im Grenzfall ist der Ton nur<br />
noch sehr leise und kratzend<br />
das Beleuchtungsmodul verrutscht<br />
sehr leicht und sollte generell fixiert<br />
werden<br />
das Solarmodul erzeugt maximal<br />
1,7 V<br />
das Lautsprechermodul gibt erst<br />
bei Spannungen ab 4,4 V einen<br />
Dauerton ab<br />
es kann also immer nur ein Intervallton<br />
erzeugt werden<br />
ein Abdunkeln des Raumes ist<br />
sinnvoll;<br />
Näheres dazu siehe Anmerkung
Versuchsteil Ergebnisse Hinweise<br />
C<br />
Solarzelle<br />
das Lautsprechermodul<br />
arbeitet nicht, auch nicht<br />
bei Beleuchtungszunahme<br />
Mögliche Auswertung:<br />
Je stärker das Solarmodul beleuchtet wird, umso größer ist seine Leistungsabgabe an das Lautsprechermodul.<br />
Maximale Beleuchtung wird erreicht, wenn das Beleuchtungsmodul direkt auf dem Solarmodul aufliegt. Wird<br />
es angehoben, sinkt die Beleuchtungsstärke nach dem Abstandsgesetz mit dem Quadrat der Entfernung der<br />
Lichtquelle.<br />
Erkennbar ist dies rein qualitativ an der Lautstärke des Lautsprechermoduls. Diese verringert sich mit zunehmenden<br />
Abstand des Beleuchtungs- <strong>zum</strong> Solarmodul. Infolgedessen verringert sich die <strong>Energie</strong>versorgung des<br />
Lautsprechermoduls.<br />
In Verbindung mit der Solarzelle arbeitet das Lautsprechermodul generell nicht, da die Mindestarbeitsspannung<br />
nicht erreicht wird.<br />
Anmerkung:<br />
Das Lautsprechermodul hat einen sehr geringen Strombedarf.<br />
SOLARENERGIE<br />
das Lautsprechermodul benötigt<br />
eine Mindestspannung von 0,8 V<br />
die Solarzelle erzeugt aber nur<br />
maximal 0,55 V<br />
es kann also kein Ton entstehen<br />
Bei normalen Tageslichtverhältnissen in Räumen wandelt das Solarmodul bereits so viel <strong>Energie</strong>, dass ein Strom<br />
von 16 mA fließt, der ausreicht, um das Lautsprechermodul zwar sehr leise, aber wahrnehmbar arbeiten zu lassen.<br />
Wird die Raumbeleuchtung eingeschaltet, so fließt ein Strom von teilweise über 30 mA und der Intervallton<br />
des Lautsprechermoduls ist nicht mehr zu überhören.<br />
Eine Abdunklung des Raumes ist daher sinnvoll, damit das Lautsprechermodul tatsächlich noch nicht arbeitet,<br />
solange es nicht direkt beleuchtet wird.<br />
21<br />
Experiment 5
Experiment 6<br />
SOLARENERGIE<br />
Experiment 6<br />
Solarbetriebene Lichtquelle<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
22<br />
starke Leuchte (auch Taschenlampe möglich)<br />
Hinweis:<br />
Das LED-Modul muss so aufgesteckt werden, dass die<br />
positiven Anschlüsse beider Module miteinander verbunden<br />
sind.<br />
LED: Light Emitting Diode (Leuchtdiode)<br />
Versuchsteil Ergebnisse Hinweise<br />
A<br />
Beleuchtungsmodul<br />
direkt auf dem Solarmodul<br />
B<br />
Beleuchtungsmodul<br />
anheben<br />
das LED-Modul leuchtet<br />
deutlich wahrnehmbar,<br />
auch bei Raumbeleuchtung<br />
das LED-Modul wird<br />
kontinuierlich dunkler<br />
ist das Beleuchtungsmodul<br />
etwa 4-5 cm angehoben,<br />
verlischt die LED völlig<br />
das Beleuchtungsmodul verrutscht<br />
sehr leicht und sollte generell fixiert<br />
werden<br />
das Solarmodul erzeugt maximal<br />
1,7 V<br />
das LED-Modul arbeitet erst bei<br />
Spannungen ab 1,4 V<br />
es muss also zügig gekurbelt werden<br />
bereits ab etwa 3 cm Entfernung des<br />
Beleuchtungsmoduls <strong>zum</strong> Solarmodul<br />
fällt Streulicht auf die LED, wodurch<br />
nicht erkannt werden kann, dass die<br />
LED zu diesem Zeitpunkt noch<br />
schwach leuchtet<br />
die LED sollte also geeignet<br />
abgeschattet werden<br />
nur bei senkrechtem Blick auf die<br />
LED kann das schwache Leuchten<br />
noch erkannt werden
Versuchsteil Ergebnisse Hinweise<br />
C<br />
Solarzelle<br />
die LED leuchtet unter keinen<br />
Umständen<br />
SOLARENERGIE<br />
die LED benötigt eine Mindestspannung<br />
von 1,4 V, um zu leuchten<br />
die Solarzelle erzeugt aber nur<br />
maximal 0,55 V<br />
siehe Hinweis<br />
Hinweis:<br />
Prinzipiell leuchtet die LED, angeschlossen an eine externe Stromversorgung, schon bei Spannungen ab 0,9 V.<br />
Angeschlossen an das Solarmodul leuchtet sie jedoch erst bei Spannungen ab etwa 1,4 V. Dieser scheinbare<br />
Widerspruch liegt darin begründet, dass die LED auch einen gewissen Mindeststrom benötigt, um zu leuchten.<br />
Das Solarmodul liefert diesen Mindeststrom erst bei einer Spannung ab etwa 1,4 V, eine externe Stromversorgung<br />
ist jedoch unabhängig von der eingestellten Spannung in der Lage, diesen Strom zu liefern.<br />
Mögliche Auswertung:<br />
Je stärker das Solarmodul beleuchtet wird, umso größer ist seine Leistungsabgabe an die Leuchtdiode (LED).<br />
Die maximale Beleuchtung wird erreicht, wenn das Beleuchtungsmodul direkt auf dem Solarmodul aufliegt.<br />
Wird es angehoben, sinkt die Beleuchtungsstärke quadratisch mit der Entfernung der Lichtquelle.<br />
Erkennbar ist dies rein qualitativ an der Leuchtstärke der LED. Diese verringert sich, wenn das Beleuchtungsmodul<br />
angehoben wird.<br />
In Verbindung mit der Solarzelle arbeitet das LED-Modul generell nicht, da die Mindestarbeitsspannung nicht<br />
erreicht wird.<br />
Kommentar:<br />
Gerade durch den Vergleich der Versuchsteile B und C kann gut demonstriert werden, dass Solarzelle und<br />
-modul unterschiedliche Spannungen erzeugen. Dazu ist auch tatsächlich die Verwendung des LED-Moduls<br />
notwendig. Würde man sich auf die Versuchsteile A und B beschränken, könnte ebenso gut auch mit dem Glühlampenmodul<br />
gearbeitet werden, welches generell eine bessere Erkennbarkeit als das LED-Modul besitzt.<br />
Allerdings sollte dem Experimentierenden <strong>zum</strong> Verständnis der Versuchsergebnisse mitgeteilt werden, dass<br />
die LED eine Schwellspannung besitzen.<br />
23<br />
Experiment 6
Experiment 7<br />
SOLARENERGIE<br />
Experiment 7<br />
Von der Solarzelle <strong>zum</strong> Solarmodul<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät<br />
starke Leuchte<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Hinweis:<br />
Zum Anschluss der Verbrauchermodule sind die Hinweise<br />
aus den Experimenten 4, 5 und 6 zu beachten.<br />
Zusätzlich sind im nebenstehenden Bild alle Module<br />
bereits korrekt ausgerichtet.<br />
Die folgenden Versuchsergebnisse sind unter der Voraussetzung entstanden, dass mit dem Handgenerator jeweils<br />
so schnell wie möglich gekurbelt wurde, um eine maximale Beleuchtung von Solarzelle bzw. -modul sicherzustellen.<br />
24<br />
Versuchsteil mit Solarzelle mit Solarmodul<br />
Motor dreht sich mäßig schnell dreht sich deutlich schneller<br />
Lautsprecher kein Ton zu hören erzeugt Intervallton von mittlerer<br />
Lautstärke<br />
Glühlampe glimmt äußerst schwach<br />
Leuchtdiode<br />
(LED)<br />
nur bei konzentriertem Hinsehen zu<br />
bemerken; Abdunklung wäre sinnvoll<br />
im Sonnenlicht oder bei anderer<br />
direkter Beleuchtung mit<br />
entsprechendem Streulicht nicht<br />
mehr zu erkennen<br />
flackert bei mittelschnellem Kurbeln<br />
leuchtet deutlich bei sehr schnellem<br />
Kurbeln<br />
Näheres siehe Hinweis 1<br />
bleibt dunkel leuchtet schon bei mittlerer<br />
Drehzahl des Handgenerators<br />
Näheres siehe Hinweis 2
SOLARENERGIE<br />
Hinweis 1:<br />
Die Glühlampe leuchtet zwar deutlich wahrnehmbar, aber insgesamt nicht sonderlich hell. Bei Beleuchtung mit<br />
dem Beleuchtungsmodul bricht die Spannung des Solarmoduls unter dem Widerstand der Glühlampe auf etwa<br />
1...1,1 V zusammen. Bei Beleuchtung durch einen Strahler, der sich dann idealerweise in einer Entfernung bis<br />
20 cm befindet, erzeugt das Solarmodul auch mit der Glühlampe als Last Spannungen um 1,6 V und damit fast<br />
seine Höchstspannung. Damit leuchtet die Glühlampe bereits sehr deutlich. Wird der Versuch im Sonnenlicht<br />
durchgeführt, so wird das Leuchten der Glühlampe, bedingt durch die viel höhere Umgebungshelligkeit, als viel<br />
schwächer wahrgenommen.<br />
Hinweis 2:<br />
Auch bei Beleuchtung durch das Beleuchtungsmodul erzeugt das Solarmodul zwar Spannungen um 1,6 V, jedoch<br />
leuchtet die LED auch damit nur mäßig hell. Das Leuchten der LED im Sonnenlicht erkennen zu wollen,<br />
erscheint aussichtslos, weshalb die Beleuchtung durch einen Strahler der direkten Beleuchtung durch die Sonne<br />
unbedingt vorzuziehen ist. Generell ist es trotzdem sinnvoll, das LED-Modul etwas abzuschatten, bspw. durch<br />
ein Stück Pappe.<br />
Mögliche Auswertung:<br />
Mit dem in der Anleitung gegebenen Hinweis, dass Lautsprechermodul und LED eine bestimmte Mindestspannung<br />
benötigen, kann sofort gefolgert werden, dass das Solarmodul diese Mindestspannung erreicht bzw.<br />
überschreitet, die Solarzelle jedoch nicht. Die Notwendigkeit einer exakten Untersuchung ergibt sich daraus<br />
unmittelbar und Experiment 8 kann sich anschließen.<br />
25<br />
Experiment 7
Experiment 8<br />
SOLARENERGIE<br />
Experiment 8<br />
Teilverschattung von Solarzelle und Solarmodul<br />
Allgemeine Vorbemerkungen:<br />
Die Versuche 1 und 2 werden bei normaler Raumbeleuchtung durchgeführt. Unter diesen Bedingungen liefert<br />
die Solarzelle einen maximalen Strom von etwa 1 mA. Ein handelsübliches Vielfachmessgerät hat einen Strombedarf<br />
von etwa 1 µA, kann also ohne weiteres angeschlossen werden.<br />
Das Glühlampenmodul hat einen Strombedarf von bis zu 70 mA. Angeschlossen an das unbeleuchtete Solarmodul<br />
leuchtet die Glühlampe nicht, die Spannung des Solarmoduls bricht bei dem kleinen Innenwiderstand<br />
der Glühlampe sofort auf 0 V zusammen. Deshalb ist im Versuch unbedingt eine Beleuchtung notwendig. Diese<br />
sollte eine Leistung von nicht unter 60 W haben und darf nicht weiter als 15 cm vom Solarmodul entfernt werden.<br />
Versuch 1:<br />
Typische Spannungen bei üblicher Raumbeleuchtung:<br />
Schlussfolgerung:<br />
Je kleiner die beleuchtete Fläche der Solarzelle ist, umso geringer ist auch ihre Leistungsfähigkeit.<br />
Die Leistungsfähigkeit nimmt nicht im gleichen Verhältnis wie die beleuchtete Fläche ab.<br />
26<br />
Versuch Solarzelle... Spannung in Volt<br />
a nicht bedeckt 0,32<br />
b zu einem Viertel bedeckt 0,30<br />
c zur Hälfte bedeckt 0,27<br />
d zu drei Vierteln bedeckt 0,20<br />
e völlig bedeckt 0
SOLARENERGIE<br />
Versuch 2:<br />
Das Solarmodul entsteht aus einer Reihenschaltung von zwei Solarzellen. Alle Messergebnisse lassen sich damit<br />
erklären, dass sich in einer Reihenschaltung alle Teilspannungen zu einer Gesamtspannung addieren.<br />
Versuch<br />
Abdeckung<br />
des Solarmoduls Spannung in Volt Erklärung<br />
a beide nicht bedeckt 0,63 … 0,64 beide Zellen arbeiten<br />
b rechte Zelle bedeckt 0,31 Wert wie bei 1a<br />
entspricht dem doppelten Wert aus 1a<br />
nur noch eine Zelle arbeitet, die Teilspannung<br />
der anderen Zelle ist 0 V, siehe 1e<br />
c linke Zelle bedeckt 0,33 Erklärung analog 2 b<br />
d<br />
beide Zellen zur Hälfte<br />
bedeckt<br />
e eine Zelle ganz, eine<br />
halb bedeckt<br />
0,51 beide Zellen arbeiten nur noch zur Hälfte<br />
Wert ist (etwa!) das Zweifache von 1c<br />
0,27 Teilspannung einer Zelle ist 0 V<br />
andere Zelle arbeitet zur Hälfte<br />
Wert daher wie bei 1c<br />
27<br />
Experiment 8
Experiment 8<br />
SOLARENERGIE<br />
Versuch 3:<br />
Hinweis:<br />
Der Aufbau der Schaltung ist in den drei folgenden Varianten möglich:<br />
Da über die Solarzelle die Spannung gemessen werden soll, ist Variante 1 nicht möglich, da der Kurzschlussstecker<br />
keine Anschlussmöglichkeit bietet (vgl. linkes Bild).<br />
Der Austausch des Kurzschlusssteckers gegen eine Leitung ermöglicht den Anschluss des Messgerätes (siehe<br />
mittleres Bild).<br />
Um die Übersicht beim Schaltungsaufbau zu bewahren, sollten generell für die Plus- und Minusseite getrennte<br />
Leiterfarben benutzt werden.<br />
28
In diesem Versuch wird eine Reihenschaltung von Solarzellen und einer Lampe erstellt. Dabei ist darauf zu achten,<br />
dass der Pluspol der einen mit dem Minuspol der anderen Solarzelle verbunden wird.<br />
Versuchsergebnisse:<br />
Versuch<br />
Abdeckung<br />
der Solarzelle<br />
Spannung<br />
in Volt Ergebnis<br />
1 keine 1,65 V Lampe leuchtet hell<br />
2 ein Viertel abgedeckt 1,58 V Lampe leuchtet hell<br />
SOLARENERGIE<br />
3 zur Hälfte abgedeckt 1,39 V Lampe leuchtet deutlich schwächer,<br />
aber noch immer auch ohne Schatten gut<br />
zu erkennen<br />
4 drei Viertel abgedeckt 0,23 V Lampe leuchtet nicht<br />
5 rechte Zelle bedeckt 0,02 V Lampe leuchtet nicht<br />
6 linke Zelle bedeckt 0,03 V Lampe leuchtet nicht<br />
Erklärungen und Hinweise:<br />
Die Versuche zeigen, dass eine zunehmende Abdeckung aller Zellen des Solarzellenmoduls zu deren kontinuierlicher<br />
Leistungsabnahme führt.<br />
Darüber hinaus bewirkt eine vollständige Abdeckung von nur einer Solarmodulzelle, dass der für den Glühlampenbetrieb<br />
notwendige Strom nicht mehr durch die vollständig abgedeckte und damit inaktive Solarzelle<br />
fließen kann. Das Glühlampenlicht erlischt.<br />
Da die Lichtintensität mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt, muss zur Erzielung reproduktiver Ergebnisse<br />
darauf geachtet werden, dass während der Versuchsserie der Abstand der verwendeten Lichtquelle <strong>zum</strong> Solarmodul<br />
nicht verändert werden darf.<br />
29<br />
Experiment 8
WINDENERGIE<br />
Allgemeine Vorbemerkungen <strong>zum</strong> Versuchskomplex „Windenergie“<br />
Der Aufbau der Versuche im Komplex „Windenergie“ ist unproblematisch. Der in den Anleitungen genannte<br />
Winderzeuger besteht aus dem eigentlichen Lüfter und einem Aufsteckmodul, mit dem die Baugruppe auf der<br />
Grundeinheit befestigt wird. Da der Lüfter nur bei polrichtigem Anschluss der Versorgungsspannung arbeitet,<br />
muss beim Aufbau der Schaltung auf Farbrichtigkeit der Anschlüsse geachtet werden. Dadurch ergeben sich<br />
zwangsläufig die richtige Dreh- und Ausblasrichtung des Lüfters (beide sind zudem durch Pfeile auf dem Lüftergehäuse<br />
gekennzeichnet).<br />
Der in den nachfolgenden Versuchen im Generatorbetrieb arbeitende Motor sollte zur optimalen Versuchsausführung<br />
so angeordnet werden, dass bei paralleler Lage von Windrad (Propeller) und Lüfter deren Mittelpunkte<br />
auf einer Achse liegen.<br />
Das Windrad (Propeller) am Generator sollte nicht bis <strong>zum</strong> Anschlag auf die Generatorwelle gesteckt werden,<br />
da sich die Läuferrotation dadurch deutlich verlangsamt. Ca. 1 mm Abstand bis <strong>zum</strong> Anschlag ist ausreichend.<br />
Während der Durchführung der Versuche ist darauf zu achten, dass sich sowohl vor dem Lüfter, auf der Ansaugseite<br />
als auch hinter dem Motormodul in einer Entfernung von etwa 40 cm keinerlei Gegenstände oder Hindernisse<br />
befinden. Eine Störung der Luftströmung durch Hindernisse führt zu einer Drehzahlverringerung bis<br />
<strong>zum</strong> Stillstand des Windrades und infolgedessen zur Verringerung oder <strong>zum</strong> Zusammenbruch der Generatorspannung.<br />
Für den Betrieb mit dem Handgenerator ist es notwendig, den Lüfter mit Maximaldrehzahl zu betreiben.<br />
30
Experiment 9<br />
Akustische Windstärkeanzeige<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Ergebnis<br />
das Windrad fängt an, sich bei relativ hoher<br />
Drehzahl des Lüfters zu drehen<br />
etwa 4-5 Sekunden später ertönt der<br />
Lautsprecher mit einem Dauerton<br />
Wie in der Anleitung angegeben, wird kräftig und<br />
zügig mit dem Handgenerator gekurbelt. Dabei wird<br />
nach dem Anlaufen des Motors mit unverminderter<br />
Drehzahl weiter gekurbelt.<br />
Auswertung:<br />
Die Auswertung durch die Experimentatoren ist in qualitativer Form möglich. Die Rotation der Generatorwelle<br />
mit Propeller wird durch den Luftstrom des Lüfters bewirkt. Der Motor arbeitet im Generatormodus, d. h. mechanische<br />
<strong>Energie</strong> des durch den Lüfter erzeugten Luftstroms wird infolge der elektromagnetischen Induktion<br />
in elektrische <strong>Energie</strong> gewandelt, die wiederum im Lautsprecher eine Wandlung in mechanische Schwingungsenergie<br />
der Lautsprechermembran erfährt.<br />
Die daraufhin entstehende Schallwelle in der Luft führt schließlich in unserem Ohr zu Tönen.<br />
WINDENERGIE<br />
31<br />
Experiment 9
Experiment 10<br />
WINDENERGIE<br />
Experiment 10<br />
Windstärkeanzeige mittels Leuchtdiode (LED)<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Vor und nach dem Anlassen des Elektromotors muss<br />
intensiv die Kurbel des Handgenerators betätigt werden.<br />
Auswertung:<br />
Die Auswertung durch den Experimentierenden ist in qualitativer Form möglich. Die Rotation der Generatorwelle<br />
mit Propeller wird durch den Luftstrom des Lüfters bewirkt. Der Motor arbeitet im Generatormodus, d.<br />
h. mechanische <strong>Energie</strong> des durch den Lüfter erzeugten Luftstroms wird infolge der elektromagnetischen Induktion<br />
in elektrische <strong>Energie</strong> gewandelt, die wiederum in der LED eine Wandlung in Lichtenergie erfährt.<br />
32<br />
Ergebnis Hinweis<br />
die Generatorwelle fängt an, sich bei<br />
relativ hoher Drehzahl des Lüfters zu<br />
drehen<br />
sobald die Generatorwelle genügend<br />
schnell rotiert, leuchtet die Leuchtdiode<br />
(LED)<br />
damit die LED stark leuchtet, muss der Lüfter mit<br />
Spannungen größer 10 V betrieben werden<br />
wird der Lüfter mit Spannungen bis 9,5 V betrieben,<br />
wobei der Generator u. U. von selbst anläuft, so flackert<br />
die LED zwischen geringer und mittlerer Helligkeit<br />
reduziert man nach dem Anlaufen des Generators die<br />
Lüfterdrehzahl, so verlischt die LED
Experiment 11<br />
Windrichtung und <strong>Energie</strong>ausbeute<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: Spannungsversorgungsgerät<br />
Vielfachmessgerät<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Drehrichtung Drehwinkel Ergebnis<br />
mit dem<br />
Uhrzeigersinn<br />
gegen den<br />
Uhrzeigersinn<br />
bis 30 Grad LED leuchtet stark<br />
WINDENERGIE<br />
Es ist kräftig und zügig mit dem Handgenerator zu kurbeln,<br />
damit der Lüfter über die ganze Zeit mit Maximalspannung<br />
betrieben werden kann.<br />
beginnt erst ab 30° schwächer zu leuchten<br />
bis 45 Grad LED leuchtet zeitweise noch mit mittlerer Helligkeit auf<br />
ab 50 Grad<br />
bleibt jedoch überwiegend dunkel bzw. leuchtet nur äußerst schwach<br />
LED bleibt dunkel<br />
Motor dreht sich längere Zeit noch zügig, wird dann aber<br />
unvermittelt langsamer und bleibt stehen<br />
20 Grad LED wird zwischendurch kurzfristig dunkel<br />
30 Grad<br />
ab 40 Grad<br />
leuchtet ansonsten recht hell<br />
LED ist überwiegend dunkel<br />
glimmt selten noch schwach auf<br />
LED leuchtet gar nicht mehr<br />
Motor dreht sich aber noch<br />
33<br />
Experiment 11
Experiment 11<br />
WINDENERGIE<br />
Auswertung:<br />
Die Auswertung durch den Experimentierenden ist in qualitativer Form möglich. Die Rotation der Generatorwelle<br />
mit Propeller wird durch den Luftstrom bewirkt. Der Motor arbeitet im Generatormodus, d. h. mechanische<br />
<strong>Energie</strong> des durch den Lüfter erzeugten Luftstroms wird infolge der elektromagnetischen Induktion in<br />
elektrische <strong>Energie</strong> gewandelt, die wiederum in der LED eine Wandlung in Lichtenergie erfährt.<br />
Wird das Motormodul aus dem Luftstrom gedreht, egal in welche Richtung, so gibt es eine geringere Leistung<br />
ab, erkennbar an der zunächst flackernden und schließlich völlig verlöschenden LED.<br />
Die Konsequenz daraus ist, dass Windradanlagen so konstruiert sein sollten, dass sie immer optimal in den Wind<br />
gedreht werden können, da sich schon bei geringen Winkelabweichungen erhebliche Leistungseinbußen einstellen.<br />
Eine weitere Erkenntnis sollte sein, dass ein Motor als Generator arbeiten kann (oder umgekehrt).<br />
Kommentar:<br />
Infolge der turbulenten Luftströmung schwanken die Generatordrehzahlen erheblich, was am Lichtflackern der<br />
LED erkennbar ist.<br />
Daraus folgt, dass es erforderlich ist, das Verhalten des im<br />
Generatormodus arbeitenden Motormoduls bei jedem Drehwinkel<br />
längere Zeit zu beobachten. Es ist vorstellbar, dass es<br />
mit der Zeit für den Experimentierenden recht anstrengend<br />
wird, den Lüfter mittels der Handkurbel mehrere Minuten auf<br />
höchster Drehzahl zu halten, denn die Handkurbel erzeugt<br />
beim Betrieb des Lüfters einen deutlichen Widerstand.<br />
Hier sollte überlegt werden, ob nicht von vornherein ein Spannungsversorgungsgerät<br />
eingesetzt wird.<br />
Dass der als Generator arbeitende Motor bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn schon bei kleineren Drehwinkeln<br />
seine Leistungsabgabe stärker reduziert als bei Drehung im Uhrzeigersinn, hat seinen Grund vermutlich<br />
darin, dass die Drehachse des Generators unter der Drehachse des Lüfters liegt. Somit liegen jeweils die oben<br />
befindlichen Flügel des Motors im Hauptluftstrom, werden am stärksten angeströmt und tragen so am stärksten<br />
zur Antriebsleistung bei. Die nachfolgende Abbildung soll dies verdeutlichen.<br />
34
WINDENERGIE<br />
Die grüne Linie kennzeichnet die Drehachse des Lüfters,<br />
während die rote Linie der Drehachse des Generatormoduls<br />
entspricht. Deutlich zu sehen ist, dass beide Achsen<br />
nicht fluchten.<br />
Hinzu kommt, dass sich (im Bild von rechts blickend) hinter den unten befindlichen Flügeln des Windrades die<br />
Halterung des Generators befindet. Diese stellt einen erhöhten Strömungswiderstand für die Luft dar, die die<br />
unten befindlichen Flügel anströmt, was dazu beiträgt, dass die Strömung im Bereich der unteren Flügel zusätzlich<br />
geschwächt wird. Der Einfluss des Verhaltens der oberen Flügel wird damit größer und Luftturbulenzen<br />
sind die Folge.<br />
35<br />
Experiment 11
Experiment 12<br />
ENERGIESPEICHERUNG<br />
Experiment 12<br />
<strong>Energie</strong>speicher für Solaranlage<br />
Geräte zur möglichen Ergänzung: starke Leuchte<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Aufladen des Kondensators Entladen des Kondensators<br />
Hinweise zur Durchführung:<br />
Die Module sollten generell so gesteckt werden, dass die roten Anschlüsse nach innen zeigen.<br />
Zur Beleuchtung kann auch eine starke Leuchte (ab etwa 60 W) genutzt werden. Der Abstand <strong>zum</strong><br />
Solarmodul sollte dann nicht größer als 30 cm sein.<br />
Die Aufladezeit von einer Minute sollte keinesfalls unterschritten werden. Nur so ist die maximale<br />
Spannung am Kondensator von 1,6 V zu erreichen.<br />
Ergebnis:<br />
Nach Aufstecken des Lautsprechers gibt dieser nach wenigen Sekunden einen Dauerton ab.<br />
Der Dauerton geht nach einiger Zeit in einen Intervallton mit immer kürzer werdenden Intervallen über.<br />
Schließlich wird der Ton mit der Zeit leiser.<br />
Der Lautsprecher kann auf jeden Fall länger als zwei Minuten mit dem Kondensator betrieben werden.<br />
Liegen die Zeiten darunter, ist der Kondensator nicht vollständig aufgeladen worden (zu kurze<br />
Beleuchtung).<br />
Auswertung:<br />
Der Kondensator ist in der Lage, durch Aufladung <strong>Energie</strong> zu speichern und durch Entladung wieder abzugeben.<br />
36
Experiment 13<br />
<strong>Energie</strong>speicher für Windkraftanlage<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Aufladen des Kondensators Entladen des Kondensators<br />
Hinweise zur Durchführung:<br />
Beim Entladen sind die Module so zu stecken, dass die roten Anschlüsse nach innen zeigen. Für den<br />
Aufladevorgang des Kondensators werden Generator- und Kondensatormodul farbrichtig miteinander<br />
verbunden.<br />
Die Aufladezeit von einer Minute sollte keinesfalls unterschritten werden. Nur so ist die maximale<br />
Spannung am Kondensator von 1,6 V zu erreichen.<br />
Ergebnis:<br />
ENERGIESPEICHERUNG<br />
Nach Aufstecken des Lautsprechers gibt dieser nach wenigen Sekunden einen Dauerton ab.<br />
Der Dauerton geht nach einiger Zeit in einen Intervallton mit immer kürzer werdenden Intervallen über.<br />
Schließlich wird der Ton mit der Zeit leiser.<br />
Der Lautsprecher kann länger als zwei Minuten mit dem Kondensator betrieben werden. Liegen die Zeiten<br />
darunter, ist der Kondensator nicht vollständig aufgeladen worden (zu kurze Beleuchtung).<br />
Auswertung:<br />
Der Kondensator ist in der Lage, durch Aufladung elektrische <strong>Energie</strong> zu speichern und durch Entladung wieder<br />
abzugeben.<br />
37<br />
Experiment 13
Experiment 14<br />
BRENNSTOFFZELLE<br />
Experiment 14<br />
Wasserzerlegung mittels Elektrolyseur?<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Hinweis:<br />
Für die Vorbereitung der Brennstoffzelle ist ein Zeitbedarf<br />
von etwa 15 min zu kalkulieren.<br />
Ergebnisse:<br />
Was ist an der Brennstoffzelle und den Gasbehältern zu beobachten?<br />
Die Gasbehälter füllen sich langsam. In der Brennstoffzelle entsteht Gas, welches in die Schläuche gedrückt<br />
wird. Die Gasmenge im Wasserstoffbehälter ist größer als im Sauerstoffbehälter.<br />
Was macht also der Elektrolyseur?<br />
Er spaltet Wasser in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff.<br />
Anmerkung:<br />
Mit einer Wasserfüllung der Brennstoffzelle ist es nicht möglich, die Gasbehälter vollständig zu füllen. Eine<br />
Wasserfüllung reicht nur zur Erzeugung von etwa 4 ml Wasserstoff und 2 ml Sauerstoff. Während der Erzeugung<br />
der Gase ist auf Grund des Strombedarfs der Brennstoffzelle am Handgenerator ein deutlicher mechanischer<br />
Widerstand zu spüren. Ist der Wasservorrat aufgebraucht, so merkt man deutlich, dass sich der Handgenerator<br />
viel leichter ankurbeln lässt.<br />
Um die Gasbehälter zu füllen, müsste man die Brennstoffzelle mindestens dreimal frisch mit Wasser befüllen.<br />
Dies ist aber nicht nötig, denn für die folgenden Experimente ist eine Gasmenge von 4 ml Wasserstoff bzw.<br />
2 ml Sauerstoff vollkommen ausreichend.<br />
Auswertung:<br />
In Abhängigkeit davon, wie exakt die Gasbehälter zuvor mit Wasser befüllt worden sind, wird man feststellen<br />
können, dass etwa doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff bei der Elektrolyse entstanden ist. Entsprechend<br />
lautet die Summenformel H 2 O.<br />
38
Experiment 15<br />
Brennstoffzelle als Motorantrieb<br />
Experiment 16<br />
Tonerzeugung im Lautsprecher als Brennstoffzelle<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Ergebnisse:<br />
Was passiert?<br />
Die Motorwelle beginnt sich zügig zu drehen (Experiment 15).<br />
Der Lautsprecher ertönt (Experiment 16).<br />
Was geschieht mit dem Gas in den Vorratsbehältern?<br />
Das Gasvolumen verringert sich langsam.<br />
Erklärung der Beobachtung:<br />
Die chemische <strong>Energie</strong> der Gase wird in der Brennstoffzelle in elektrische <strong>Energie</strong> gewandelt.<br />
Damit kann der Motor betrieben werden (Experiment 15).<br />
Damit können Schallwellen mittels des Lautsprechers erzeugt werden (Experiment 16).<br />
BRENNSTOFFZELLE<br />
39<br />
Experimente15|16
Experiment 17<br />
ENERGIE SPAREN<br />
Experiment 17<br />
<strong>Energie</strong>bedarf verschiedener Verbraucher<br />
zweckmäßiger Aufbau:<br />
Ergebnisse:<br />
Hinweis:<br />
Die roten Buchsen sollten generell nach innen<br />
zeigen. Damit ist in jedem Falle die richtige Polung<br />
sichergestellt.<br />
Bemerkung:<br />
Der Betrieb einer Glühlampe oder LED führt im Vergleich zu den beiden anderen im Versuch eingesetzten elektrischen<br />
Verbrauchern <strong>zum</strong> höchsten elektrischen <strong>Energie</strong>bedarf. Beispielsweise wandelt eine Glühlampe<br />
lediglich 5% der zugeführten elektrischen <strong>Energie</strong> in Lichtenergie.<br />
40<br />
Modul Minimalbedingungen Rangfolge <strong>Energie</strong>bedarf<br />
Motor beginnt zu drehen, wenn man das Solarmodul am<br />
Fenster stehend in Richtung Himmel ausrichtet<br />
Lautsprecher gibt schon bei Raumhelligkeit ohne zusätzliche<br />
Beleuchtung einen Ton ab<br />
Glühlampe Sonne oder Strahler notwendig<br />
LED Sonne oder Strahler notwendig 3<br />
2<br />
1<br />
3
Notizen<br />
Notizen<br />
41
Notizen<br />
Notizen<br />
42