Sexl Physik 7 Elektrodynamik Wechselstrom Induktion Generator Motor Transformator Schwingkreis Optik Spektrum Reflexion Brechung Beugung Polarisation Klima Treibhauseffekt Quanten Photon Elektron Unschärfe Atom Laser Teildruck Die Verkaufsauflage erscheint unter der ISBN 978-3-209-13316-8
Sexl Physik 7, Schulbuch und E-Book Die Verkaufsauflage erscheint unter der ISBN 978-3-209-13316-8 Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Bildnachweis S. 6.1: © Prof. Ferlaino; S. 8.1: © MED-EL Medical Electronics; S. 8.2: © MED-EL Medical Electronics; S. 8.3: ARNO MASSEE / Science Photo Library / picturedesk.com; S. 24.1: elxeneize / Shutterstock; S. 25.3: © APG (Austrian Power Grid) ; S. 25.4: Markus Haslinger / picturedesk.com; S. 26.3: kato08 / Getty Images; S. 27.2: Nakicenovic / bearbeitet durch öbv; S. 28.1: RelaxFoto.de / Getty Images; S. 28.2: Rebel / Fotolia; S. 29.1: © Energie AG; S. 29.2: snygo - aboutpixel.de; S. 29.3: Ivan Ivanov / iStockphoto; S. 30.2: Ashley Cooper / Getty Images; S. 30.3: © GeoSphere Austria; S. 30.4: Smileus / Fotolia; S. 31.1: Joseph Creamer / stock.adobe.com; S. 31.3: John Vanderloos / Genex Power Pty Ltd; S. 32.1: © EUROSTAT /digpub/energy/2019; S. 32.2: © Umweltbundesamt ; S. 32.3: © Österreichische Koordinationsstelle für Energiegemeinschaften im Klima- und Energiefonds ; S. 59.0: Thomas Jansa / Fotolia; S. 59.1: Dr. Helga Stadler, Wien / öbv; S. 59.2: Stephanie Bandmann / Fotolia; S. 59.3: Florentin Triebl / öbv, Wien; S. 60.1: m.arc / Fotolia; S. 60.3: MAGICS / Action Press / picturedesk.com; S. 61.3: Kamila Redererová, Wien; S. 62.1: Kamila Redererová, Wien; S. 63.1: Marc Evers / https://physikuntericht-online.de; S. 65.1: Science Photo Library / picturedesk.com; S. 65.2: Giordano Cipriani / Getty Images; S. 66.3: Sandra Layne / iStockphoto.com; öbv, Wien; S. 66.4: Xenia1972 / Fotolia; öbv, Wien; S. 67.1: daltonienstuff-blog.tumblr.com; S. 67.3: Andrzej Tokarski / iStockphoto.com; S. 67.5: ErickN / iStockphoto.com; S. 68.1: bluecinema / Getty Images; S. 68.2: meenon / Getty Images; S. 68.3: PDC / Science Photo Library / picturedesk.com; S. 69.1: sergeyryzhov / Thinkstock; S. 69.2: Maica / Getty Images; S. 70.1: masa / stock.adobe.com / Fotolia.com; S. 70.2a: Ted Kinsman / PhotoResearchers / picturedesk.com; S. 70.2b: GIPhotoStock / PhotoResearchers / picturedesk.com; S. 70.3: D. Zawischa, Universität Hannover; S. 71.1: GIPhotoStock / PhotoResearchers / picturedesk.com; S. 71.2a: GIPhotoStock / PhotoResearchers / picturedesk.com; S. 1.2b: GIPhotoStock / PhotoResearchers / picturedesk.com; S. 71.3: vchal / Shutterstock; S. 72.2: GIPhotoStock / PhotoResearchers / picturedesk. com; S. 73.1: Winelover / Fotolia; „S. 73.2a-2b :“ „GIPhotoStock / PhotoResearchers / picturedesk.com GIPhotostock / PhotoResearchers / picturedesk.com;“ S. 74.2: Stocktrek / Getty Images; S. 74.3: Bocskai István / stock.adobe.com; S. 75.3: Peakstock / Shutterstock; S. 76.3: Boris Roessler / dpa / picturedesk.com; S. 77.1: Kamila Redererová; S. 77.2: David Smith iStockphoto.com; S. 77.3a: Valentyn Volkov / Alamy Stock Photo; S. 77.3b: Valentyn Volkov / Alamy Stock Photo; S. 78.1: Vladimir Zlotnik / Getty Images; S. 78.3: RADsan / Thinkstock. Illustrationsnachweis Claudia Blazejak für PER Medien & Marketing, Braunschweig: Seiten: 24.2; 24.3; 25.2; 27.1; 27.3; 27.4; 27.5; 60.2; Raphael Hamann / öbv, Wien: Seite: 61.4; Cindy Leitner / öbv, Wien: Seite: 61.2; Bernd Pavlik, Neusiedl am See: Seiten: 26.1; 26.2; 27.2; 29.4; 30.1; 30.5; 30.6; 31.2; 63.2; 63.3; 63.4; 63.5; 64.1; 64.2; 64.3; 65.3; 65.4; 66.1; 66.2; 66.5; 67.2; 67.4; 67.6; 72.1; 72.3; 73.3; 74.1; 75.1; 75.2; 75.4; 76.2; 76.4; 78.2; Oleksandra Toropenko / öbv, Wien: Seiten: 24.4; 24.5; 76.1. 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2025 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Herstellung: Oleksandra Toropenko, Wien Umschlaggestaltung: Susanne Hörner, Kommunikationsdesign, Staufen Satz: PER MEDIEN & MARKETING GmbH, Braunschweig Druck: Brüder Glöckler GmbH, Wöllersdorf W6529-160 Teildruck zu ISBN 978-3-209-13316-8 (Physik Sexl OS SB 7 + E-Book) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
www.oebv.at Sexl Physik 7 Roman U. Sexl Helmut Kühnelt Helga Stadler Peter Jakesch Eva Sattlberger Für die 7. Klasse der allgemein bildenden höheren Schulen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
„Sicher und kompetent zur Matura“ zu führen, ist Ziel des Lehrwerks „Sexl Physik 5–8“. Das Ziel des Physikunterrichts ist im Lehrplan folgendermaßen beschrieben: „Die Schülerinnen und Schüler sollen eine rationale Weltsicht erwerben, aktiv die spezifische Arbeitsweise der Physik und ihre Bedeutung als Grundlagenwissenschaft erkennen und damit beurteilen lernen, welche Beiträge zu persönlichen und gesellschaftlichen Entscheidungen physikalische Methoden liefern können. Weiters sollen sie die Bedeutung physikalischer Phänomene und Konzepte im Alltag und in der Umwelt und für die Welterkenntnis erfassen und für ihre Lebensgestaltung nutzen. Dadurch sollen die Schülerinnen und Schüler Einblicke in die Vorläufigkeit von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen erhalten und die Bedeutung neuer Sichtweisen bei anstehenden Problemen sowie die Physik als schöpferische Leistung der Menschheit … erkennen. Der Physikunterricht hat einen wichtigen Beitrag zur Berufsorientierung und der persönlichen Berufswahl zu leisten.“ Die Betonung der „Kompetenzorientierung“ soll die Ziele der AHS und des Fachunterrichts stärker hervorheben. Kompetent sein bedeutet, auf der Basis von Wissen handeln zu können. Physikalische Grundbildung besteht aus drei wesentlichen Bereichen. Der Physikunterricht hilft dir, Kompetenzen aus allen drei folgenden Bereichen auf Basis der Lerninhalte zu erwerben und zu vertiefen. 2 Liebe Schülerin, lieber Schüler! S: Standpunkte begründen und Meinungen vertreten In diesem Bereich erwirbst du die Fähigkeit, naturwissenschaftlich begründet zu argumentieren und am gesellschaftlichen Diskurs teilzunehmen. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: S1 Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen auf persönlicher, regionaler und globaler Ebene erkennen, um verantwortungsbewusst handeln zu können. S2 Naturwissenschaftliche von nicht-naturwissenschaftlichen Argumentationen und Fragestellungen unterscheiden. S3 Informationen aus unterschiedlich verlässlichen Quellen aus naturwissenschaftlicher Sicht und aus anderen Blickwinkeln (z. B. ökonomisch, ökologisch, ethisch) reflektieren S4 Entscheidungskriterien für das eigene Handeln entwickeln und aus naturwissenschaftlicher Sicht überprüfen. E: Experimentieren und Erkenntnisgewinnung In diesem Bereich erwirbst du Fähigkeiten und Fertigkeiten im Umgang mit physikalischen Arbeitsweisen. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: E1 Zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Alltag und Technik naturwissenschaftliche Fragen formulieren und Hypothesen aufstellen. E2 Zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen und protokollieren. E3 Im Rahmen naturwissenschaftlicher Untersuchungen oder Experimente Daten aufnehmen und analysieren (ordnen, vergleichen, messen, Abhängigkeiten feststellen, Zuverlässigkeit einschätzen). E4 Daten durch mathematische und physikalische Modelle abbilden und interpretieren. W: Fachwissen In diesem Bereich erwirbst du physikalisches Fachwissen und wendest dieses Fachwissen in verschiedenen Kontexten an. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: W1 Vorgänge und Phänomene in Natur, Alltag und Technik beschreiben und benennen. W2 Mit Informationen aus fachlichen Medien und Quellen umgehen. W3 Vorgänge und Phänomene in Natur, Alltag und Technik in verschiedenen Formen (Bild, Grafik, Tabelle, Diagramm, formale Zusammenhänge, Modelle ...) darstellen, erläutern und adressatengerecht kommunizieren. W4 Fachwissen in unterschiedlichen Kontexten anwenden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 Kompetenzbereich: Bereich E = Energie T = Theorieentwicklung Kennzeichnung: Klasse.Semester Inhaltsverzeichnis So arbeitest du mit Sexl Physik 4 Einblicke in aktuelle Forschung 6 Elektrodynamik 9 1 Grundlagen der Elektrotechnik 10 1.1 Das Induktionsgesetz 10 1.2 Generator und Motor 14 1.3 Wechselstrom und Wechselspannung 16 1.4 Transformator 19 1.5 Elektrische Energieübertragung 20 Praxis und Vertiefung 22 2 Energieversorgung 24 Praxis und Vertiefung 32 3 Halbleiter 34 3.1 Was sind Halbleiter? 35 3.2 Dioden und Transistoren 35 3.3 Optoelektronische Bauelemente 38 Praxis und Vertiefung 40 4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 42 4.1 Der Schwingkreis 43 4.2 Entstehung elektromagnetischer Wellen 45 4.3 Elektromagnetische Wellen übertragen Energie 47 4.4 Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen 50 Praxis und Vertiefung 56 Kurz gesagt 58 Licht 59 1 Reflexion und Brechung 60 1.1 Wie schnell ist Licht? 60 1.2 Reflexion und Brechung des Lichts 61 1.3 Die Spektralfarben des Lichts 65 Praxis und Vertiefung 68 2 Beugung und Interferenz des Lichts 70 2.1 Die Beugung am Spalt 70 2.2 Die Beugung am Strichgitter 72 2.3 Polarisation des Lichts 74 Praxis und Vertiefung 78 Kurz gesagt 80 Temperaturstrahlung und Klima 81 1 Temperaturstrahlung 82 1.1 Der schwarze Strahler 82 1.2 Das Wien’sche Verschiebungsgesetz 83 1.3 Das Stefan-Boltzmann’sche Gesetz 83 2 Der Treibhauseffekt 84 2.1 Berechnung der Temperatur der Erde 84 2.2 Der Treibhauseffekt 85 2.3 Zukunftsszenarien 87 Praxis und Vertiefung 90 Kurz gesagt 92 Quanten und Atome 93 1 Licht – Wandel des physikalischen Weltbilds 94 2 Grundideen der Quantenphysik 100 2.1 Photonen – Lichtteilchen 100 2.2 Lichtteilchen und Lichtwellen 104 2.3 Materiewellen 105 2.4 Die Heisenberg’sche Unschärferelation 108 2.5 Beispiele zur Unschärferelation 110 2.6 Quantenobjekt: Polarisiertes Licht 112 2.7 Erkenntnisprobleme der Quantenphysik 113 2.8 Verschränkung – das EPR-Experiment 114 2.9 Optik mit Elektronen: Elektronenmikroskopie 115 3 Aufbau von Atomen 118 3.1 Atommodelle – Rutherford und Bohr 118 3.2 Quantisierung der Energie – stehende Wellen 121 3.3 Atome mit mehreren Elektronen: Periodensystem 123 3.4 Laser 124 Praxis und Vertiefung 126 Kurz gesagt 127 Anhang Lösungen XXX Register XXX Tabellen XXX Elektrodynamik Erweiterung Elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Wellen E T Strahlungshaushalt der Erde Quantenphysik Atomphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Angenommen, wir wissen, wo ein Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt ist und welche Geschwindigkeit er hat. Wenn wir auch die Kräfte kennen, die auf den Körper wirken, können wir die weitere Bewegung des Körpers vorhersagen. Das gilt für Flugzeuge und Züge, aber auch für Raumsonden. Zum Beispiel konnte man berechnen, wann die Raumsonde Voyager 1 beim Planeten Jupiter vorbeikommen und wann sie unser Planetensystem verlassen würde. Derartige Berechnungen gehören zu den wichtigen Aufgaben der Physik und der Technik. Voraussetzung für solche Berechnungen sind genaue Orts-, Geschwindigkeits- und Zeitangaben der Objekte. Die Ansprüche an die Genauigkeit sind mit der Zeit gewachsen. Vor 400 Jahren maß Galilei die Zeit mit seinem Pulsschlag. Heute werden Zeitdauern auf milliardstel Sekunden gemessen, in der Quantenphysik werden Längen auf milliardstel Millimeter genau bestimmt. 1.1 Die Messung der Zeit Was ist Zeit? Die Frage wird von der Philosophie, der Psychologie, der Biologie und der Physik jeweils anders beantwortet (14.1). Augustinus (354–430 n. Chr.) bemerkte dazu: „Was ist Zeit? Wenn niemand mich danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht.“ In der Physik dachte man lange, dass es eine absolute Zeit gäbe, die unabhängig von uns Menschen und unabhängig vom Kosmos gleichmäßig verstreicht. Wir wissen heute, dass dieser Zeitbegriff nur dann gilt, wenn wir in den Dimensionen des Alltags denken. Große Massen, wie wir sie etwa bei Sternen finden, aber auch hohe Geschwindigkeiten verändern den Gang der Uhren (14.2). Für die physikalische Größe Zeit benützt man die Abkürzung t. Um eine beliebige Zeitdauer messen zu können, benötigen wir eine Vergleichsgröße, die Maßeinheit (vgl. Kasten „Was heißt messen?“, siehe S. 18). Ein natürliches Zeitmaß ist der Wechsel von Tag und Nacht. Schon in der römischen Antike teilte man die Zeit zwischen zwei Sonnenhöchstständen – also den vollen Tag – in 24 Stunden auf. Die Stunde wiederum unterteilt man in 60 Minuten, 1 Minute in 60 Sekunden. Ursprüngliche Definition: 1 Sekunde ist der 86 400 ste Teil eines mittleren Sonnentages. Diese Definition berücksichtigt, dass sich wegen der ungleichmäßigen Bewegung der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne, die Länge eines Tages im Laufe eines Jahres ändert. Die Sekunde (abgekürzt s) ist im Internationalen Einheitensystem (SI-System, siehe Kasten siehe S. 18) die Einheit für die Zeit. Zur Messung der Mondentfernung werden seit 1969 Laserblitze auf einen von den Apollo-Astronauten aufgestellten Reflektor gerichtet. Wie genau kann man auf diese Weise die Entfernung des Mondes bestimmen? Der Anspruch an die Genauigkeit der Messung hat sich in den letzten Jahrzehnten erhöht. Daher wird seit 1967 die Dauer einer Sekunde mittels Atomuhren festgelegt. Dabei nutzt man Licht, das von Cäsium-Atomen abgestrahlt wird, und die Tatsache, dass Schwingungen des Lichts völlig gleichmäßig erfolgen. Atomuhren, wie sie etwa für das GPS-System verwendet werden, sind so genau, dass sie erst nach 10 000 Jahren einen Fehler von maximal 1 s aufweisen würden. Präzisionsuhren, wie sie in der Forschung verwendet werden, sind noch wesentlich genauer (15.2). Die Zeitangabe, die wir mittels Funkuhren oder über Radio, Fernsehen oder Internet erhalten, erfolgt aufgrund eines weltweiten Netzes von mehr als 260 Atomuhren. Dieses Zeitsystem wird als Weltzeit oder Coordinated Universal Time (UTC) bezeichnet. Die Atomuhren zeigen, dass die Erddrehung langsamer wird. Ein mittlerer Sonnentag hat daher nicht exakt 86 400 Sekunden, sondern etwas mehr. Zu Jahresende wird daher hin und wieder eine Schaltsekunde eingefügt. In der Physik untersucht man sehr große, aber auch winzig kleine Zeiträume: Das Weltall existiert nach heutiger Ansicht ca. 13 Milliarden Jahre, manche Elementarteilchen zerfallen nach einigen milliardstel Sekunden. Verwenden von Zehnerpotenzen Für die Darstellung sehr kleiner oder sehr großer Zahlen benutzt man häufig die Schreibweise mit den Potenzen der Zahl 10 (15.3). Die Zahl 104 bedeutet 10·10·10·10 = 10 000. Eine negative Hochzahl mit der Basis 10 bedeutet den Kehrwert der Zahl mit der positiven Hochzahl, also 10–4 = 1/104 = 1/10 000. Das Alter des Weltalls von 13 000 000 000 Jahren kann daher auch als 13·109 oder 1,3·1010 Jahre geschrieben werden. Der Durchmesser eines Urankerns beträgt ca. 15·10–15 m = 0,000 000 000 000 015 m. Untersuche, überlege, forsche: Zeitmessung 15.1 W1 Überprüfe die Behauptung: Ein guter Näherungswert für die Dauer eines Jahres von 365 Tagen in Sekunden ist π·107 Sekunden. 15.2 Bei Reisen über große Distanzen müssen die Zeitzonen beachtet werden. Die Weltzeit (UTC) stimmt mit der lokalen Uhrzeit (GMT = Greenwich Mean Time) am nullten Längengrad (Meridian der Sternwarte Greenwich in London) überein. W2 a) Finde heraus, welche Zeitzonen es gibt. S1 b) In China gibt es nur eine Zeitzone, in Russland dagegen neun. Erörtere, was das für Menschen bedeutet, die in diesen Ländern wohnen. W4 c) Wenn du in Europa reist, kann es passieren, dass du deine Uhr verstellen musst. Erkläre dies anhand einer „fiktiven“ Reise durch Europa. S2 d) Beschreibe Auswirkungen der Unterschiede der lokalen Zeiten auf Menschen bei Fernreisen und im Geschäftswesen. 15.3 W2 Funkuhren sind Quarzuhren, die per Funk ein Zeitsignal erhalten, das über Funk ständig nachreguliert wird. Recherchiere, wie Funkuhren in Mitteleuropa synchronisiert werden. Experiment: Dauer einer Pendelschwingung 15.1 Du brauchst: Eine 1 m lange Schnur, einen „Pendelkörper“ (z. B. Metallkugel), eine Stoppuhr E3 a) Fertige ein Pendel an und lass es schwingen. Miss mittels Stoppuhr die Dauer einer Pendelschwingung. Das ist die Zeit, die das Pendel benötigt, um in die Ausgangslage zurückzukehren. Arbeitet in Teams und vergleicht die Ergebnisse. Diskutiert, wie eventuelle Unterschiede in euren Messdaten zustande kommen können und wie genau das Ergebnis überhaupt sein soll. E4 b) Die Genauigkeit einer Messung kannst du verbessern, indem du die Dauer von mehreren Schwingungen misst und das Ergebnis durch die Zahl der Schwingungen dividierst (Mittelwert berechnen!). Durch mehrmalige Wiederholung der Messung kannst du den Mittelwert und die maximale Abweichung davon bestimmen (siehe Kasten S. 18). E4 c) Diskutiert mögliche Fehlerquellen und das Resultat. 15.1 Die Kenntnis des Stands der Sonne zu verschiedenen Tageszeiten und im Laufe eines Jahres ermöglicht die Bestimmung der Zeit. Bastle selbst eine Sonnenuhr! Anleitungen dazu findet du im Internet. 15.2 Die primäre Atomuhr, mit der die UTC realisiert wird. Die Uhr befindet sich in der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die Atomuhr des Labors ist mit Uhren anderer Labors weltweit synchronisiert. Von den Labors wird die Zeitangabe per Funk an die einzelnen Landesstellen weitergegeben. 15.3 Es ist üblich, Vielfache oder Teile der festgelegten Maßeinheit mit bestimmten Vorsilben zu benennen, die durch ein internationales Übereinkommen geregelt sind. Vorsilbe Abkürzung Faktor Peta P 1015 Tera T 1012 Giga G 109 Mega M 106 Kilo k 103 Hekto h 102 Deka da 101 Dezi d 10–1 Zenti c 10–2 Milli m 10–3 Mikro μ 10–6 Nano n 10–9 Piko p 10–12 Femto f 10–15 Atto a 10–18 14.1 Schmelzende Zeitmesser in dem Gemälde „Das Beharren der Erinnerung“ von Salvador Dali (1931). Zeit ist nicht nur in unserem persönlichen Erleben, sondern auch in Philosophie und Kunst ein wichtiges Thema. 14.2 Albert einstein (1879–1955) Einstein hat 1905 gezeigt, dass es keine absolute Zeit gibt. Uhren, die sich relativ zu uns bewegen, gehen im Vergleich zu unseren Uhren langsamer. 15 Größenordnungen 14 Größenordnungen 1 Die Grundgrößen Zeit und Länge Die Grundgrößen Zeit und Länge In diesem Kapitel erfährst du, – wie man in der Physik Zeiten und Längen misst, – in welchen zeitlichen und räumlichen Größenordnungen die Physik arbeitet. 1 Überlege dir eine Antwort auf die Einstiegsfrage und überprüfe deine Vermutung auf der abschließenden Doppelseite „Praxis und Vertiefung“. Blaue Kästen enthalten weiterführende Inhalte, die teilweise über den Lehrstoff hinausgehen und zum Nachdenken anregen sollen. Sie helfen aber auch den gerade gelernten Stoff anhand konkreter (Alltags-) Beispiele noch begreiflicher zu machen bzw. zu vertiefen. In den Sprechblasen finden sich Zitate von bekannten Persönlichkeiten sowie genauere Begriffsdefinitionen, die helfen sollen, Fachsprache von Alltagssprache zu unterscheiden. Grüne Kästen enthalten Beispiele und Anregungen für einen „nachhaltigeren“ und effizienteren Umgang mit Ressourcen. Weitere Elemente im Buch: Im gelben Kasten findest du wichtiges Merkwissen kompakt zusammengefasst. Bei Experimenten kannst du deine Experimentierkenntnisse unter Beweis stellen! Demonstrationsexperimente sollen nur von der Lehrperson durchgeführt werden. In diesem Kompetenzbereich befindest du dich gerade. Die „Untersuche, überlege, forsche“-Aufgaben fördern dein selbstständiges Arbeiten. Die Lösungen dazu findest du am Ende des Buchs. Das Taschenrechnersymbol zeigt dir Aufgaben mit Bezug zur Mathematik. Zeigt dir das Kapitel an, in dem du dich gerade befindest. Verweis auf eine Abbildung. Beispielseite aus Sexl Physik 5 4 So arbeitest du mit Sexl Physik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Antwort auf die Eingangsfrage Warum sind die Astronautinnen und Astronauten mit Seilen mit dem Satelliten verbunden? Könnten sie im Weltall verloren gehen? Im Film Gravity (2013) führen Astronautinnen und Astronauten Reparaturarbeiten am Weltraumteleskop Hubble durch (42.1). Sie erfahren, dass ein russischer Satellit zerstört wurde und die Trümmerteile im Orbit treiben. Die Trümmerteile schlagen kurz darauf ein, das Raumschiff wird zerstört. Der Funkkontakt zur Bodenstation reißt ab, die Astronautinnen und Astronauten werden vom Schiff weggeschleudert. Eine Astronautin kann sich mit den Schubdüsen ihres Düsenrucksacks retten, ein Astronaut entfernt sich und treibt in die Umlaufbahn der Erde. Der Film wurde unter Beratung hochrangiger wissenschaftlicher Institute gedreht, und die Fakten sind, von einigen Details abgesehen, korrekt dargestellt. Tatsächlich gibt es in der Umlaufbahn der Erde zahlreiche Trümmerteile, die mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s durch den Weltraum rasen und (als sogenannter Weltraumschrott) Satelliten und Weltraumstationen gefährden. Sie bewegen sich, genauso wie der Mond und die Meteoriten, ohne Antrieb um die Erde, sondern allein aufgrund der Trägheit. Allerdings ist es bisher noch nie passiert, dass ein Mensch nicht mehr zur Kapsel zurückkehren konnte. Bei Außenarbeiten müssen Astronautinnen und Astronauten angeschnallt bleiben. Nach dem Wechselwirkungsgesetz (siehe nächstes Kapitel) bewirkt auch die geringste Krafteinwirkung des Astronauten oder der Astronautin auf die Kapsel eine gleich große Gegenkraft, die von der Kapsel wegweist und dazu führt, dass sich der Astronaut oder die Astronautin von der Kapsel entfernt. Da es im Weltall keine Reibung gibt, die diese Bewegung stoppen könnte, wird er oder sie wohl unendlich lange durch das Weltall schweben. Es sei denn, er oder sie wird vom Schwerefeld eines anderen Körpers eingefangen. Wobei jedenfalls bald die Versorgung mit Atemluft zum Problem werden würde. Retten könnte sich der der Astronaut oder die Astronautin nur, wie im Film gezeigt, mit Schubdüsen. 42.1 Ausschnitt aus dem Film Gravity 1 E1 S3 Die Beschreibung der Bewegung der Erde war ein wesentlicher Schritt in der historischen Entwicklung der Physik. a) Beschreibe die Bewegung der Sonne im Laufe eines Tages. Betrachte den Nachthimmel, suche den Großen Wagen und beschreibe seine Bewegung über einen längeren Zeitraum. Erkläre deine Beobachtungen. b) Was würde Galilei zu deinen Erklärungen sagen? Würde er sie widerlegen oder bestätigen? Schreibe alle deine Beobachtungen und Erklärungen auf und verfasse einen fiktiven Dialog zwischen dir und Galilei. 2 W2 Die Auseinandersetzung Galileis mit der Kirche ist Thema zahlreicher historischer Arbeiten. Was waren die zentralen Diskussionspunkte? Recherchiere dazu im Internet und fasse deine Ergebnisse in einem Aufsatz zusammen oder halte ein Referat, zum Beispiel im Geschichtsunterricht. 3 S1 Bert Brecht schrieb das Theaterstück „Leben des Galilei“. Recherchiere Inhalt und Thematik. Interpretiere die Aussage des Theaterstücks und nimm dazu Stellung. 4 E2 E2 E4 Kräfte kann man messen. a) Denk dir eine Methode aus, wie du deine Muskelkraft mit Hilfe eines Expanders (Therabands) messen kannst, und erläutere, wie du vorgehst. b) Zeige mit Federwaagen, wie man Kräfte als Resultierende ihrer Komponenten darstellen kann. c) Erkläre am Beispiel des Therabands das Hooke’sche Gesetz. 5 W4 Isaac Newton war ein bedeutender Physiker. Erkläre seine Bedeutung für die Entwicklung der Physik. Beschreibe die Zeit, in der er lebte. Verfasse eine biografische Skizze. 6 W2 Informiere dich, wie vor mehr als 4 000 Jahren in Ägypten große Pyramiden aus Stein errichtet wurden. 7 W3 Schiefe Ebenen spielen auch heute eine wichtige Rolle, etwa bei Seilbahnen oder Bergstraßen. Erkläre anhand zweier Beispiele mittels Grafiken die technischen Grundlagen. 8 W4 Beschreibe den Nutzen von Federungen für Fahrzeuge. Bestimme die verschiedenen Arten von Federn in der Fahrzeugtechnik. Frage dazu in einer Autowerkstatt nach. Weiterführende Fragestellungen 1 Welche Aussage über ein Inertialsystem trifft zu? Kreuze die richtige Antwort an. a) Die Erde ist ein Inertialsystem. b) Das Sonnensystem ist ein Inertialsystem. c) In einem Inertialsystem gilt das Trägheitsgesetz. 2 Beschreibe eine Methode, mit der man die Bewegung der Erde um die Sonne beweisen kann. 3 Beschreibe den Zusammenhang zwischen dem ersten und dem zweiten Newton’schen Gesetz. 4 Markiere die richtige Aussage: a) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Geschwindigkeit von 1 m/s. b) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Beschleunigung von 1 m/s2. c) Ein Körper mit 1 kg Masse wird durch 1 N mit 1 m/s2 beschleunigt. 5 Erkläre den Begriff „Gewicht“. Ermittle dein eigenes Gewicht. 6 Kräfte werden vektoriell addiert. Zeichne die Addition für a) Kräfte, die parallel und gleichgerichtet sind. b) Kräfte, die parallel und entgegengesetzt gerichtet sind. c) Kräfte, die einen beliebigen Winkel einschließen. 7 Zeichne in der Abb. 43.1 die wirkenden Kräfte ein. 8 Auf einen Körper wirken gleichzeitig Kräfte von 3 N und von 4 N ein. Die Kräfte schließen miteinander einen Winkel von 90° ein. Bestimme die gesamte wirkende Kraft und kreuze die richtige Antwort an. a) 3 N b) 5 N c) 4 N d) 7 N Teste dein Wissen 43.1 Wurfbahn eines Balls unter Vernachlässigung des Luftwiderstands. 1 Die Beschleunigung bei verschiedenen Autos kann stark variieren. a) Ein Auto (m = 900 kg) benötigt 11 s, um aus dem Stand auf 80 km/h zu kommen. Bestimme die durchschnittliche Beschleunigung und die durchschnittliche Kraft des Motors. b) Bestimme dieselben Werte für das folgende E-Auto: m = 2 000 kg, das E-Auto benötigt 6,1 s, um aus dem Stand auf 100 km/h zu kommen. 2 Bei Crashtests wird mit Dummys untersucht, welche Kraft bei einem Frontalzusammenstoß auf den Sicherheitsgurt wirkt. Dabei wird das Auto in 0,25 s aus einer Geschwindigkeit von 64 km/h zum Stillstand gebracht. Der Dummy hat eine Masse von 60 kg. a) Bestimme die Kraft, die auf den Gurt wirkt. b) Analysiere, ob eine Gefahr besteht, wenn man sich mit den Armen am Lenkrad abstützt statt einen Sicherheitsgurt zu verwenden. 3 An eine Schraubenfeder mit der Federkonstante k = 10 N/m wird ein Körper der Masse m = 60 g gehängt. a) Ermittle die Dehnung der Feder auf der Erde. b) Wie groß wäre die Dehnung auf dem Mond? Vergleiche. 4 Der mittlere Steigungswinkel der Bergisel-Schanze (43.2) beträgt rund 29°, die Höhendifferenz rund 50 m. Ermittle die Endgeschwindigkeit der Sportlerinnen und Sportler in der Anlaufspur. 43.2 Bergisel-Schanze in Innsbruck Rechenaufgaben 42 43 1 Die Newton’schen Gesetze Mechanik I Mechanik I Praxis und Vertiefung … wird die Einstiegsfrage ausführlich beantwortet. … sollen die weiterführenden Fragestellungen ein Angebot sein, sich mit einer Frage bzw. einem Thema genauer auseinanderzusetzen und einen Blick „über den Tellerrand hinaus“ bieten. … findest du „Teste dein Wissen“-Fragen, mit denen du die wichtigsten Erkenntnisse des Kapitels selbst überprüfen kannst. … kannst du mit Rechenaufgaben physikalische Fragen aus dem Alltag beantworten, um auch mit konkreten Zahlen argumentieren zu können. Am Ende jedes Kapitels findest du die Doppelseite „Praxis und Vertiefung“. Hier … Digitale Zusatzmaterialien 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder dein Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App-Medienliste aus. 3. Scanne eine gekennzeichnete Buchseite oder wähle ein Audio/ Video aus der App-Medienliste aus. QuickMedia App Android iOS Beispielseite aus Sexl Physik 5 5 Online-Codes: Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zu unserem digitalen Zusatzmaterial (z. B. Simulationen oder Lösungen) weitergeleitet. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Univ.-Prof. Dr. Francesca Ferlaino Warum habe ich Physik studiert? Ich wuchs in Neapel auf, umgeben von einer reichen Mischung aus Kultur und Neugier. Schon früh interessierte mich, wie technische und natürliche Prozesse ablaufen. Ein prägendes Erlebnis hatte ich mit zwölf Jahren bei einer Schulreise zu einem Kernkraftwerk: Die Vorstellung, dass man Atome spalten kann, um Energie zu erzeugen, faszinierte mich zutiefst. Dieses Erlebnis weckte mein Interesse an den Naturgesetzen, doch erst in der Oberstufe wurde mir während einer Universitätsvorlesung endgültig klar, dass Physik meine Leidenschaft ist. Ich besuchte ein Gymnasium mit Schwerpunkt auf Latein und Altgriechisch, in dem sehr wenig Mathematik und fast gar keine Physik unterrichtet wurde. Damals wusste ich nur sehr wenig über das Fach, doch während dieses Universitätsbesuchs, als ich der Vorlesung lauschte, war ich vollkommen fasziniert. Der Professor erklärte hochkomplexe Konzepte mit solcher Klarheit und Begeisterung, dass ich wusste: Dies war das Fach, in dem ich meine Neugier über die fundamentalen Mechanismen der Welt stillen konnte. Ich entschied mich für ein Physikstudium an der Universität Neapel, wo ich meinen Masterabschluss erlangte. Danach zog ich nach Florenz, um am Europäischen Labor für Nichtlineare Spektroskopie (LENS) meine Doktorarbeit zu schreiben. Während meiner Promotion tauchte ich tief in die Quantenphysik ein – und war von diesem Moment an vollkommen gefesselt. Die Welt der Teilchen auf kleinster Skala erschien mir fast magisch, aber zugleich logisch und mathematisch greifbar. In Süditalien sagt man: „Wo Genuss ist, ist nichts verloren.“ Es bedeutet, dass man nie falsch liegt, wenn man einer Leidenschaft folgt! Mein erster Mentor wiederholte diese Worte oft und bestärkte mich darin, meinen eigenen Weg zu gehen. Diese Einstellung begleitete mich auf meiner gesamten akademischen Laufbahn. Was sind meine heutigen Aufgaben/Interessen? Wo sehe ich künftige Entwicklungen? Nach meiner Promotion zog ich 2006 nach Innsbruck, um in der Forschungsgruppe des Experimentalphysikers Rudolf Grimm zu arbeiten – eine Entscheidung, die sich als prägend für meine wissenschaftliche und persönliche Entwicklung herausstellte. Ursprünglich wollte ich nur einige Monate bleiben, doch daraus sind nun fast zwei Jahrzehnte geworden. In Innsbruck fand ich meine berufliche Heimat und den idealen Platz, um meine Ideen umzusetzen. Heute liegt mein Forschungsschwerpunkt im Bereich der ultrakalten Quantengase. Ich beschäftige mich mit exotischen Materiezuständen und fundamentalen Quantenphänomenen, die langfristig auch Anwendungen in der Quantensimulation oder den Materialwissenschaften finden könnten. Besonders fasziniert mich, wie sich abstrakte theoretische Konzepte experimentell realisieren lassen. Derzeit leite ich eine Forschungsgruppe, die sich mit neuen Quantenphasen beschäftigt. Wir setzen modernste Lasertechnologie ein, um einzelne Atome auf wenige Nanokelvin abzukühlen und so neue physikalische Regime zu erschließen. Die Möglichkeit, Materie in solch kontrollierten Zuständen zu untersuchen, erweitert unser Verständnis und könnte Grundlagen für zukünftige technologische Entwicklungen legen. Es ist mir besonders wichtig, junge Menschen, insbesondere Mädchen, die heute in Physikstudiengängen noch unterrepräsentiert sind, für die Naturwissenschaften zu begeistern. Als Mentor*in setze ich mich dafür ein, dass sich alle – unabhängig vom Geschlecht – in der Physik und verwandten Disziplinen willkommen fühlen und die Wissenschaft voranbringen können. Die Quantenwissenschaften bieten enorme Chancen, und denkt mal darüber nach: Elektronen, Schwerkraft und Atome kümmern sich nicht um Geschlecht – genauso wenig wie das Physikstudium! Wir haben deshalb die Plattform www.atominnen.at ins Leben gerufen! 6.1 Univ.-Prof. Dr. Francesca Ferlaino ist Professorin für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck und Wissenschaftliche Direktorin am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck. Im Jahr 2023 wurde sie mit dem Grete Rehor- Staatspreis, dem österreichischen Staatspreis für Frauen, für ihr Engagement zur Geschlechtergleichstellung in der Quantenphysik ausgezeichnet. 2024 folgte die Ehrung als „Österreicherin des Jahres“ in der Kategorie Forschung. 6 Einblicke in aktuelle Forschung Auf diesen Seiten erfährst du, – Details aus dem Forschungsalltag von Wissenschafterinnen und Wissenschaftern. – mehr über die fachlichen Hintergründe und die Entwicklung, die man als Forscherin bzw. Forscher durchmacht. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise – Hörhilfen werden stetig verbessert Ein Beispiel, wie die physikalische Forschung zunächst auf grundlegende Erkenntnisse und dann sehr schnell zu praktischen Anwendungen führt, ist die Halbleiterphysik (s. S. 29). Die Ergebnisse der Grundlagenforschung in der ersten Hälfte des 20. Jh. führten ab 1960 zur Entwicklung der Halbleiterindustrie. Den Ersatz von menschlicher Arbeitskraft durch die Dampfmaschine bezeichnet man als industrielle Revolution, den Wandel der Technik (Steuerungstechnik und Kommunikationswesen) und unseres Nutzungsverhaltens als digitale Revolution. Die Miniaturisierung der elektronischen Bauteile durch Transistoren und integrierte Schaltkreise hat neben vielen anderen Anwendungen den PC, den Personal Computer in seinen vielfältigen Formen, und die Mobiltelefonie ermöglicht. Am medizinischen Beispiel der Hörprothese für das Innenohr, einer österreichischen Entwicklung, wird das Zusammenspiel von Grundlagenforschung und Anwendung deutlich. Bei taub geborenen Kindern mit intaktem Hörnerv und auch bei später Ertaubten fehlen z. B. die Haarzellen, welche die Druckwelle des Schalls in der Gehörschnecke in Nervenimpulse umwandeln. Damit diese Personen hören können, wird der intakte Hörnerv direkt durch eine Elektrode mit insgesamt 12 in der Gehörschnecke verteilten Kontakten elektrisch stimuliert (8.1–8.3). In einem Signalprozessor wird der Schall nach Frequenz und Lautstärke analysiert. Zur Signalanalyse werden moderne mathematische Verfahren verwendet. Die Information wird an den Stimulator übertragen, der elektrische Pulse über feine elektrische Leitungen an die Nervenfasern des Hörnervs im Innenohr überträgt. Die elektrischen Impulse der Nervenfasern erreichen schließlich das Hörzentrum im Gehirn. Da Nervenfasern auch Erholungspausen brauchen, feuern sie maximal etwa dreihundert Mal pro Sekunde (300 Hertz). Höhere Frequenzen ergeben sich aus dem zeitlich versetzten Feuern verschiedener Fasern. Die Miniaturisierung der Elektronik ermöglicht eine kompakte Bauweise des Stimulators, so dass er unter die Kopfhaut implantiert werden kann. Energieversorgung und Signalübertragung erfolgen vom Signalprozessor (mit Mikrofon und kleiner Batterie), der hinter dem Ohr getragen wird, über hochfrequente elektromagnetische Schwingungen nach dem Induktionsprinzip. Die Datenrate erreicht 600 kbit/s und ermöglicht Hören in einem Frequenzbereich von 70 Hz bis über 8 000 Hz – sie bringt damit auch wieder Musikgenuss. Da die gesamte Information über nur 12 Kontakte übertragen wird (zum Vergleich: Im gesunden Ohr gibt es etwa 20 000 Nervenfasern), ist dieser Musikgenuss etwas eingeschränkt, während die Sprache robuster ist und weniger strenge Anforderungen an die Signalverarbeitung stellt. Interessant ist auch die Geschichte der Entwicklung: Von der Idee im Jahr 1975 zur ersten implantierten Elektrode vergingen nur zwei Jahre, aber erst die Miniaturisierung der Elektronik erlaubte ab 1989 den Bau der kompakten implantierbaren Empfänger. Untersuche, überlege, forsche: Hörhilfen 8.1 S2 Überlege, warum es besonders für taub geborene Kleinkinder wichtig ist, eine Hörprothese zu erhalten. 8.1 Beim Cochlea-Implantat wird der Hörnerv (7) nicht durch die Haarzellen, sondern durch elektrische Wechselspannungen an Kontaktstellen einer Elektrode mit der Gehörschnecke (lat. Cochlea) (6) stimuliert. Der Signalprozessor (1) mit Mikrofon, Elektronik und Leitung (2) zur Sendespule wird außen am Ohr getragen. Er transformiert den Schall in elektrische Impulse für die externe Sendespule (3). Unter der Kopfhaut liegt der Empfänger mit der Empfangsspule (4) und der Elektrode (5), die in die Gehörschnecke reicht. 8.2 Die in die Gehörschnecke eingesetzte Elektrode stimuliert mit ihren Kontakten mittels Wechselspannung einzelne Fasern des Hörnervs. 8.3 Implantierbarer Stimulator mit Empfangsspule. Die externe Spule wird durch den internen Magneten (rund) im Zentrum der Empfangsspule (orange) gehalten. Das Gerät wird unter die Kopfhaut implantiert und die Elektrode in die Gehörschnecke eingeführt. Der Stromfluss wird über eine großflächige Elektrode auf dem Metallgehäuse geschlossen. 8 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Stromversorgung Österreichs a) Die Energieversorgung Österreichs Um die Bedeutung der Elektrizität innerhalb der österreichischen Energiewirtschaft kennenzulernen, betrachten wir zunächst die gesamte Energieversorgung unseres Landes. Im Jahr 2023 betrug der gesamte Energiebedarf Österreichs 349,3 TWh = 349,3·109 kWh ≈ 1 257·1015 J = 1 257 PJ (Petajoule) Dies entspricht einem Energiebedarf von rund 105 kWh pro Person und Tag – Industrie, Verkehr und Haushalt zusammengenommen! Der Gesamtenergiebedarf hat sich in Österreich seit 1970 beinahe verdoppelt. Rund drei Viertel der Primärenergie müssen importiert werden. Elektrische Energie deckt nur 21,5 % des gesamten Energiebedarfs (siehe 24.2). Der Wasserkraft kommt in Österreich im internationalen Vergleich eine bedeutende Rolle zu. Dennoch vermag die Wasserkraft nur 11 % des gesamten Energiebedarfs (47 % des Strombedarfs) in Österreich zu decken. 24.3 zeigt die Entwicklung seit 1945, 25.2 den Energiebedarf der einzelnen Wirtschaftssektoren. b) Wie wird Elektrizität im Haushalt genutzt? 24.4 und 24.5 beruhen auf Erhebungen der Statistik Austria. Im Haushalt gibt es viele Möglichkeiten Energie effizienter einzusetzen. Beispielsweise benötigen moderne Gefriergeräte nur halb so viel Strom wie Geräte, die vor 20 Jahren gebaut wurden. Der Stand-by-Betrieb von TV-Geräten, Radio und vor allem PCs mag bequem sein, stellt jedoch insgesamt eine beachtliche Energievergeudung dar. Mit dem Umstieg von einer Gas- oder Ölheizung auf eine Wärmepumpe kann der Heizenergiebedarf um 40–50 % gesenkt werden. Eine Wärmepumpe stößt zwar selbst kein CO2 aus, klimaneutral ist sie aber nur dann, wenn der zu ihrem Betrieb nötige Strom ebenfalls ohne CO2-Ausstoß erzeugt wird. 24.1 Photovoltaikanlage und Windkraftwerk Was sind erneuerbare Energiequellen, welche gibt es, und wie hoch ist der Anteil erneuerbarer Energie an unserer Energienutzung? 24.2 Anteile der Energieträger am Nutzenergiebedarf 2022 (Quelle: Statistik Austria) 1,5 % 35,4 % 16,9 % 16,8 % 1,2 % 6,6 % 21,5 % Feste fossile Energieträger Flüssige fossile Energieträger Gasförmige fossile Energieträger Fernwärme Brennbare Abfälle Erneuerbare Energieträger Elektrische Energie 24.3 Die Grafik zeigt (in GWh), wie Erzeugung und Import von elektrischer Energie seit 1945 zugenommen haben. Seit 1970 steigt der Beitrag der Wärmekraftwerke. Seit 2000 liefern auch Windenergieanlagen einen nennenswerten Beitrag. Die Stromimporte dienen der Abdeckung von tages- und jahreszeitlich bedingt erhöhtem Strombedarf, sie werden teilweise durch Exporte (besonders Strom aus Pumpspeicherwerken) ausgeglichen. (Quelle: e-Control) 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0 Jahre 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 GWh physikalische Importe Wind, Photovoltaik, Geothermie Wärmekraftwerke Wasserkraftwerke Inlandsstrombedarf Exa (E) = 1018 Peta (P) = 1015 Tera (T) = 1012 Giga (G) = 109 24.4 Nutzung von Energie im Haushalt 2023/2024 (Quelle: Statistik Austria) Raumwärme Warmwasser Kochen Sonstiges 70 % 13 % 14 % 3 % 24.5 Nutzung von Strom im Haushalt 2023/2024 (Quelle: Statistik Austria), in der Kategorie „Sonstiges“ sind z. B. Ladegeräte, Standby-Verbrauch, Wäschewaschen, Haushaltsgeräte (Mixer, Staubsauger, …), Geschirrspüler, Unterhaltung, Kommunikation, Beleuchtung, etc. enthalten. Raumwärme Warmwasser Kochen Sonstiges 23 % 49 % 19 % 9 % 24 Energie 2 Energieversorgung In diesem Kapitel erfährst du – wofür wir Energie brauchen, – wie viel Energie wir brauchen, – wo unsere Energie herkommt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
c) Österreichs Kraftwerksverbund Öffentliche Elektrizitätswerke gibt es in Österreich seit 1886. Der Inlandstrombedarf hat sich seit 1970 verdreifacht und betrug 2023 74 500 GWh. Zu ca. 90 % wurde der Bedarf durch heimische Kraftwerke gedeckt. Von dem in Österreich erzeugten Strom wurden rund 60 % in Wasserkraftwerken (25.4, 26.3), 21 % in Wärmekraftwerken und 19 % mit Windkraftanlagen, Photovoltaik und Geothermie erzeugt. Mit diesem hohen Anteil von Wasserkraft an der Stromerzeugung liegt Österreich in Europa nach Norwegen an zweiter Stelle (Tabelle 25.1). Österreich hat im Jahr 1978 nach einer Volksabstimmung beschlossen, auf Kernkraftwerke zu verzichten. Land Wasserkraft Wärme Kernenergie Sonne & Wind Norwegen 89 % 1 % – 9 % Österreich 60 % 21 % – 19 % Schweiz 56 % 5 % 33 % 6 % Frankreich 12 % 10 % 64 % 14 % Deutschland 5 % 53 % 1 % 40 % Europa 17 % 40 % 19 % 23 % 25.1 Stromerzeugung in einigen europäischen Ländern 2023 (Quelle: Internationale Energieagentur IEA) Die vermehrte Stromerzeugung in Wärmekraftwerken erhöht die Abhängigkeit von importierten Brennstoffen. Im Jahr 1980 wurden etwa 10 % der erzeugten elektrischen Energie exportiert, im Jahr 2000 war die Bilanz ausgeglichen. Seither steigen die Stromimporte je nach Wirtschaftslage (2022: 13 % Importe). Sowohl aus wirtschaftlichen Gründen als auch zur Verminderung der Umweltbelastung ist bei Kraftwerken ein hoher Wirkungsgrad wichtig. Während Wasserkraftwerke einen Wirkungsgrad von 90 % erzielen, liegt der Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken bei 40 %. (Eine Steigerung auf bis zu 90 % ist durch die Nutzung der Abwärme als Fernwärme erreichbar. Dies wird als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet.) Die Verteilung erfolgt über ein Hochspannungsnetz (110 kV, 220 kV, 380 kV) von insgesamt über 18000km Länge (25.3). Der Verbundbetrieb erfordert eine genaue Abstimmung der von allen Kraftwerken gelieferten Leistungen auf den Bedarf und eine genaue Netzfrequenz von 50 Hz. d) Ökostrom Ökostrom ist elektrische Energie aus erneuerbaren Energieträgern. Daten zur erneuerbaren Energie In Österreich betrug 2022 der Anteil erneuerbarer Energie am Energiebedarf 33,8 % (bei Strom: 74,7 %) und soll bis zum Jahr 2040 auf 100 % gesteigert werden (bei Strom bis 2030). EU-weit soll der Anteil erneuerbarer Energie bis 2030 auf 42,5 % gesteigert werden. Lexikon Ökostrom: Strom aus erneuerbaren, also nicht fossilen Energieträgern. Dazu zählen Wind, Sonne, Erdwärme, Wasserkraft, Biomasse, Deponie-, Klär- und Biogas, Abfall mit hohem biogenen Anteil sowie Wellen- und Gezeitenenergie. (Quelle: e-Control) Energiequelle: in großem Rahmen nutzbarer Energielieferant (Quelle: Duden) Energieträger: Feste, flüssige, gasförmige und radioaktive Stoffe, die Energie in sich speichern. Sie dienen der Energieerzeugung. Primärenergieträger werden im Wesentlichen in ihrer natürlich vorkommenden Form genutzt (Erdöl, Erdgas, Kohle, Uranerz, Wasserkraft). Sekundärenergie entstammt dagegen einem Umwandlungsprozess (Benzin, Heizöl, Strom, Fernwärme). (Quelle: Fischer Weltalmanach) Treibhauseffekt: Die Treibhausgase (Wasserdampf, CO2, CH4, fluorierte Kohlenwasserstoffe) absorbieren einen Teil der von der Erde abgestrahlten Wärmestrahlung und strahlen sie teilweise zur Erde zurück. Ohne Treibhauseffekt wäre die mittlere Temperatur der Erdoberfläche − 18 °C statt + 14 °C. Der Planet Venus verdankt seine hohe Temperatur von 460 °C dem Treibhauseffekt. Die Verluste bei der Umwandlung der Primärenergie in andere, direkt nutzbare Energieformen (z. B. elektrische Energie) und bei der Energieverteilung betragen rund 25%. Nur drei Viertel der Primärenergie werden daher nutzbringend verwendet. Aber auch die Nutzenergie (Sekundärenergie) wird schließlich größtenteils in Abwärme umgewandelt. So erwärmt die Fahrt eines Autos oder die Heizung eines Hauses letztlich die Umgebung, und diese Wärme kann nicht weiter genutzt werden. Daher spricht man von „Energieverbrauch“, obwohl Energie streng genommen nicht verbraucht wird. 25.2 Verteilung des Nutzenergiebedarfs in Österreich 2023 nach verschiedenen Sektoren (Quelle: Statistik Austria) Verkehr Produktion Haushalte Dienstleistungen Landwirtschaft 2 % 34 % 28 % 26 % 10 % 25.3 Das österreichische Hochspannungsnetz (hier dargestellt: 220 kV- und 380 kV-Leitungen) wird von Austrian Power Grid betrieben. (Quelle: Austrian Power Grid APG) Stand 2025 380-kV-Leitung / in Bau 220-kV-Leitung / in Bau APG-Netzknoten APG-Umspannwerk / in Bau *Seps *Mavir *Eles *Terna *Swissgrid *TenneT *TenneT *Amprion *TransnetBW *Ceps Österreich braucht Strominfrastruktur. Österreichisches Höchstspannungsnetz 25.4 Das Flusskraftwerk Ybbs/Persenbeug (NÖ) erzeugt bei einer Fallhöhe von 10,9 m und einem maximalem Durchfluss von 2 650 m³/s eine Leistung von 236,5 MW. 25 Energie 2 Energieversorgung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Da die Erzeugung von Ökostrom – sieht man von der Wasserkraft ab – zumeist teurer ist als die Stromerzeugung aus nicht erneuerbaren Energiequellen, sind staatliche Förderungen für die Einspeisung von Ökostrom ins öffentliche Stromnetz vorgesehen. Die Stromlieferanten sind verpflichtet, auf der Stromrechnung die Anteile der verschiedenen Primärenergieträger anzuführen. Der Konsument weiß daher, aus welchen Energieträgern jener Strom erzeugt wird, den sein Stromanbieter für ihn ins Stromnetz einspeist. Die Förderung und die Herkunftsnachweise von Ökostrom sind im Ökostromgesetz 2012 geregelt. e) Das Europäische Stromnetz Unser Stromnetz ist Teil eines großen europäischen Netzes, das auf übernationaler Basis die Versorgung Europas mit Strom konstanter Spannung und Frequenz sichert (26.1). Der Transport der elektrischen Energie erfolgt nicht entlang einer einzelnen Leitung von einem bestimmten Kraftwerk zum Kunden. Die einzelnen Kraftwerke speisen je nach Bedarf Strom ins Netz, und dieser verteilt sich entsprechend den physikalischen Gegebenheiten (Kirchhoff’sche Regeln, siehe Physik 6, S. 94) auf die einzelnen Leitungen (26.2). Es ist also weder möglich, Strom aus einem bestimmten Kraftwerk zu beziehen, noch kann man verhindern, dass etwa Strom aus Kernkraftwerken durch eine bestimmte Leitung oder zu einem bestimmten Kunden fließt. Wenn man beispielsweise Strom von einem Ökostromanbieter bezieht, dann bezahlt man diesem Anbieter zwar die gelieferte Energiemenge, das heißt aber nicht, dass der Strom, der durch die eigenen Geräte fließt, tatsächlich ausschließlich von diesem Anbieter gekommen ist. Alle Anbieter leiten ihren Strom in das gemeinsame Netz und alle Kunden entnehmen ihren Strom dem gemeinsamen Netz. Dabei wird natürlich darauf geachtet, dass jeder Anbieter genau so viel Strom bezahlt bekommt, wie er ins Netz geleitet hat. Die Kosten der Übertragungsverluste im Stromnetz werden den Kunden als Netznutzungsentgelt in Rechnung gestellt. Untersuche, überlege, forsche: Energieversorgung Beantworte die folgenden Fragen mit Hilfe von aktuellen statistischen Daten aus dem Internet. 26.1 W2 Recherchiere, wie sich der Energiebedarf Österreichs in den letzten Jahren entwickelt hat. Erkläre dies einem Freund oder einer Freundin. 26.2 S1 Recherchiere, welche Auswirkungen Förderung und Einsatz von Kohle, Erdöl und Erdgas auf die Umwelt haben. Bewerte die Vor- und Nachteile fossiler und erneuerbarer Energieträger und ziehe daraus Schlüsse für die Energienutzung in deinem zukünftigen Leben. 26.3 W2 Recherchiere, wie viel Prozent der österreichischen Elektrizitätserzeugung aus Wärmekraft, Wasserkraft und anderen Quellen kommen. 26.4 S1 Zähle die Vor- und Nachteile der verschiedenen Ökostromarten auf. Analysiere, wie hoch in Österreich der Anteil von Ökostrom ist. Bewerte, wie Österreich bezüglich Ökostromerzeugung im internationalen Vergleich liegt. 26.5 E3 Recherchiere, wofür im privaten Bereich die meiste elektrische Energie benötigt wird, und welche Möglichkeiten es gibt, Strom zu sparen. Plane zu dieser Frage eine Untersuchung, um mithilfe eines Energiemessgerätes herauszufinden, welche Elektrogeräte und welche Tätigkeiten bei dir zu Hause die meiste Energie benötigen. Stelle vor Beginn deiner Untersuchung eine Vermutung über die Ergebnisse deiner Untersuchung auf. Ziehe aus den Ergebnissen deiner Untersuchung Schlüsse, wo Energie eingespart werden könnte. 26.6 W1 S2 Recherchiere, wie viel Energie verschiedene Elektroautos pro 100 km benötigen und vergleiche mit einem Benzinauto. Schätze ab, um wieviel Prozent die weltweite Stromerzeugung gesteigert werden müsste, wenn weltweit alle Benzinautos durch Elektroautos ersetzt würden. 26.7 S4 Argumentiere, warum es sinnvoll ist, Strom von einem Ökostromanbieter zu beziehen, obwohl der Strom, der durch die eigenen Geräte fließt, nicht von diesem Anbieter gekommen sein muss. 26.8 E2 Suche selbst weitere interessante Fragestellungen. 26.1 Österreich ist Mitglied von ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity), dem Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber. IS NO SE FI LV EE LT PL BE DE NL LU FR ES PT GB IE CH AT HU SK CZ RO BG BA DK GR MK IT RS KR ME SL 26.2 Transport von elektrischer Energie aus Frankreich ins Nachbarland Italien. Nur 40 % fließen direkt nach Italien, 60 % der Energie fließen über die Netze von sechs weiteren Ländern. 100 100 39 17 16 15 7 7 8 46 28 28 29 28 FR DE IT AT CH KR NL BE 26.3 Das Kraftwerk Malta-Oberstufe (K) speichert ein Volumen von 200 Mio. m³ Wasser und erzeugt bei einer Fallhöhe von 198 m eine Leistung von 120 MW. Die Leistung des gesamten Malta-Speicherkraftwerks (Malta-Hauptstufe 730 MW) beträgt 850 MW. Daten zur Energieversorgung Österreichs sind vor allem bei folgenden Institutionen zu finden: Statistik Austria, E-Control, Austrian Power Grid APG, Bundesministerium für Wirtschaft, Energie und Tourismus (BMWET), International Energy Agency (IEA). 26 Energie 2 Energieversorgung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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 unseren 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 (27.2). Weltweit ist Erdöl (29,5 %) der wichtigste Energieträger, gefolgt von Kohle (27,2 %) und Erdgas (23,6 %). Kernenergie (5,0 %), erneuerbare Energieformen (davon Wasserkraft 2,5 %), und Müllverbrennung tragen zusammen mit 14,7 % zur Energieversorgung der Welt bei (27.1). In den letzten 50 Jahren ist der weltweite Energiebedarf mit einer mittleren jährlichen Zunahme von 2 % von 1973 bis 2021 auf mehr als das Doppelte (von 255 EJ auf 618 EJ) gestiegen (27.3). Bevölkerungswachstum und eine Verdopplung des Pro-Kopf-Bedarfs in den Industrieländern, sowie die zunehmende Industrialisierung in den Staaten Asiens (27.4 und 27.5) und Südamerikas sind die Ursachen. Der durchschnittliche ProKopf-Bedarf an Energie ist sehr unterschiedlich: In den USA liegt der jährliche ProKopf-Bedarf bei etwa 75 000 kWh, in Österreich bei rund 43 000 kWh, in Indien bei nur 8 000 kWh. Erneuerbare und nicht erneuerbare Energiequellen Während des größten Teils seiner Entwicklung war der Mensch auf die eigene Muskelkraft angewiesen. Vor rund 10 000 Jahren ergänzte er sie durch die Muskelkraft von Tieren (Die „Pferdestärke“ PS als Einheit der Leistung ist zumindest im Automobilsektor noch nicht ganz verschwunden!). Im 19. Jh. begann mit der Dampfmaschine das Industriezeitalter mit seiner rasch wachsenden Nutzung zahlreicher von der Natur angebotener Energiequellen. Heute verwendet jeder Mensch in den Industrienationen durchschnittlich so viel Energie, wie der Arbeitskraft von etwa 60 Menschen entspricht. Die Technik erleichtert dem Menschen die mechanische Arbeit, macht ihn mobil, versorgt ihn mit Licht und Wärme und ermöglicht es, Informationen zu übertragen und zu speichern. Elektrische Energie ist besonders wichtig. Die Umwandlung kann in manchen Fällen direkt erfolgen wie z. B. bei der Erzeugung von elektrischem Strom durch Solarzellen. Oft ist allerdings eine längere Kette von Energieumwandlungen notwendig, an deren Ende schließlich ein Generator elektrische Spannung erzeugt. Wegen des ständig steigenden Energiebedarfs drohen die Erschöpfung der nicht erneuerbaren Energiequellen wie Kohle, Erdöl, Erdgas und Uran und die Zerstörung der Umwelt. In welchem Maß unsere Umwelt beeinträchtigt wird, hängt davon ab, aus welchen Quellen die Energie stammt und mit welchem Wirkungsgrad sie genutzt wird. Betrachten wir einige Energiequellen. Fossile Brennstoffe Weltweit beruht die Energieversorgung überwiegend auf der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas. Man schätzt, dass die gegenwärtig bekannten abbauwürdigen Lagerstätten an Kohle bei gleich bleibendem Bedarf noch 250 Jahre reichen, die bekannten Erdöllager hingegen in etwa 40 Jahren ausgebeutet sein werden. Dies sind sicher eher pessimistische Schätzungen, da mit steigenden Preisen auch der Abbau von sonst unwirtschaftlichen Lagerstätten lohnt. Jedenfalls sind die Vorräte begrenzt. Abbau und Verteilung fossiler Brennstoffe führen zu ökologischen Problemen, z. B. Landschaftszerstörung durch den Kohletagbau und Verschmutzung der Weltmeere, z. B. bei Tankerunfällen. Zudem wird die Umwelt durch die Abgase aus Wärmekraftwerken und Verkehrsmitteln wie Autos, Flugzeugen und Schiffen stark belastet. Ein besonderes Problem stellt das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ausgestoßene CO2 dar. Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre stieg von 1750 bis 2021 um ca. 50 %. Das CO2 in der Atmosphäre ist für den verstärkten Treibhauseffekt verantwortlich (s. S. 74), der zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre führt, weil CO2 in starkem Maße Wärmestrahlung absorbiert. 27.1 Weltweite Anteile der Primärenergieträger 2021 (Quelle: Internationale Energieagentur IEA) 2,5 % 29,5 % 27,2 % 23,6 % 9,5 % 5,0 % 2,7 % Erdöl Kohle Erdgas Kernenergie Wind, Solar etc. Wasserkraft Biokraftstoffe und Müllverbrennung 27.2 Jährlicher Primärenergiebedarf der Welt von 1850 bis 2000 in Exajoule (1 EJ = 1018 Joule). Die Grafik verdeutlicht den starken Anstieg des Energiebedarfs seit 1950 (Quelle: Marchetti, Nakićenović, Grübler). 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 Dampfmaschine Elektromotor Benzinmotor Vakuumröhre kommerzielle Luftfahrt Kernenergie Microchip Fernsehen 27.3 Energiebedarf der Welt von 1971 bis 2019 (in Exajoule) (Quelle: Internationale Energieagentur IEA) 700 600 500 400 300 200 100 0 1971 1980 1990 Erdgas Erdöl Kohle 2000 2010 2019 Kernkraft Wasserkraft Biomasse und Müll Andere 27.4 Weltweiter Energiebedarf nach geografischer Region 1990 bis 2018 (Quelle: Internationale Energieagentur IEA) 15 000 12 500 10 000 7 500 5 000 2 500 0 1990 1995 2000 Asien Afrika Europa (Nord-, Mittel- und Süd-) Amerika 2005 2010 2015 Ozeanien Internationaler Luftund Seetransport 27.5 Ölverbrauch Chinas von 1990 bis 2021 (Quelle: Internationale Energieagentur IEA) 30 000 000 25 000 000 20 000 000 15 000 000 10 000 000 5 000 000 0 Motorbenzin Flugzeugkerosin Anderes Kerosin Rohbenzin Ethangas Gas/Diesel Heizöl andere Ölprodukte Rohöl 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 27 Energie 2 Energieversorgung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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