Lösungen zu den Untersuche-Aufgaben 10.1 Man beobachtet keinen dauerhaften Ausschlag, wenn der Magnet ruht, sondern nur dann, wenn man ihn bewegt. Ein besonders großer Ausschlag entsteht, wenn der Magnet sehr schnell hinein- oder herausbewegt wird und dadurch den magnetischen Fluss stark ändert, zum Beispiel indem man ihn weit in die Spule hinein- und wieder herauszieht. Die Ausschlagsrichtung kehrt sich um, wenn die Bewegungsrichtung umgekehrt wird. 16.1 In einem Gleichstromkreis steigt die Stromstärke bei einer Spule nach dem Einschalten verzögert an, weil die Selbstinduktion die Stromänderung bremst, während bei einem Kondensator zunächst ein Ladestrom und danach bei Gleichspannung kein Strom mehr fließt. In einem Wechselstromkreis wirkt die Spule umso stärker „bremsend“, je höher die Frequenz ist (R L = ωL), während der Kondensator umso „leichter durchlässt“, je höher die Frequenz ist (R C = 1/ ωC). 16.2 Der Lichtsensor zeigt eine periodische Helligkeitsschwankung, weil die Leistung zeitlich wie P(t) ∝ sin 2( ωt) verläuft. Bei einer Netzfrequenz von 5 0 Hzergibt sich deshalb eine 100-Hz-Helligkeitsmodulation, weshalb das Flackern mit dem Auge kaum auffällt, im Messdiagramm aber deutlich sichtbar ist. 16.3 Der Mittelwert von sin 2( ωt) ist 0,5, weil man die Identität s in2(x) = 1 − cos(2x) __ 2 verwenden kann: Über eine ganze Periode mittelt sich cos(2x) zu Null, daher bleibt nur 1/2 übrig. Das entspricht auch der Aussage, dass sin 2( ωt) zwischen 0 und 1 schwankt und der zeitliche Mittelwert ‾sin 2 ωt = 1/2beträgt. 26.1 In Österreich ist der Endenergieverbrauch in den letzten Jahren deutlich gesunken. Statistik Austria berichtet für 2022 einen Rückgang um rund 5 % und für 2023 nochmals einen Rückgang um rund 4%, was vor allem mit hohen Energiepreisen, Einsparungen und einer schwächeren Konjunktur zusammenhängt. 26.2 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 26.3 Für Österreich weist die Statistikbroschüre der E-Control für die inländische Erzeugung (öffentliches Netz) folgende Größenordnungen aus: Wasserkraft und Sonstige rund 39170GWh, Wärmekraft rund 18925GWh und Wind, Photovoltaik und Geothermie zusammen rund 10 708 GWh. Das entspricht grob 56,9 % Wasserkraft und Sonstige, 27,5% Wärmekraft und 15,6% Wind, PV und Geothermie an der inländischen Stromerzeugung. Quelle: (E-Control) 26.4 + 26.5 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial 26.6 Praxisnahe Tests zeigen für viele E-Autos typische Größenordnungen um etwa 18 bis 22kWh pro 100km, wobei es je nach Modell und Fahrweise deutlich schwankt. Bei Benzinautos sind typische Verbräuche im Alltag grob 6 bis 8l pro 100 km, und die EPA-Definition der „gasoline gallon equivalent“ setzt 1 Gallone Benzin ≈ 33,7 kWh an, was ungefähr 8,9 kWh pro Liter entspricht. Für eine grobe weltweite Abschätzung muss man Annahmen treffen: Wenn man beispielweise mit 1 Milliarde Benzinautos und 10 000 km pro Jahr rechnet, ergibt das bei 20kWh pro 100km einen zusätzlichen Strombedarf von etwa 2000TWh pro Jahr. Verglichen mit der weltweiten Stromerzeugung von 29925TWh (2023) wären das grob rund 7 % mehr. 26.7 Auch wenn im Netz immer ein physikalischer Strommix fließt, wird über Verträge und Herkunftsnachweise festgelegt, welche Energiemenge ein Anbieter anteilsmäßig aus erneuerbaren Quellen einspeist und verkauft. Wenn mehr Menschen Ökostrom nachfragen, steigen Investitionsanreize und Ausbau von Erneuerbaren, und das verändert langfristig den realen Kraftwerkspark und damit den tatsächlichen Mix. 26.8 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 28.1 Die World Nuclear Association gibt an, dass weltweit ungefähr rund 440 Leistungsreaktoren Strom erzeugen und Kernenergie etwa 9 % der Weltstromerzeugung liefert. Quelle: (World Nuclear Association) 28.2 In der EU betreiben unter anderem Belgien, Bulgarien, Tschechien, Finnland, Frankreich, Ungarn, die Niederlande, Rumänien, die Slowakei, Slowenien, Spanien und Schweden Kernkraftwerke, während Deutschland 2023 ausgestiegen ist. Außerhalb der EU betreiben zum Beispiel auch das Vereinigte Königreich, die Schweiz und die Ukraine Kernkraftwerke. 28.3 Es kann u. a. die Tabelle der World Nuclear Association genutzt werden: https://world-nuclear.org/information-library/facts-and-figures/nuclear-generation-by-country 28.4 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 28.5 Finnland ist mit dem Onkalo-Projekt am weitesten und steht kurz vor dem Start der Endlagerung. Für Frankreich wird für Cigéo häufig ein Zeitraum genannt, in dem ab etwa 2035 bis 2040 erste Abfälle eingelagert werden könnten. In der Schweiz ist das Verfahren weiter in Planung und die Inbetriebnahme wird deutlich später erwartet, wobei für ein Endlager Zeiträume ab der Mitte des Jahrhunderts diskutiert werden 28.6 Windkraft ist in Österreich stark im Osten konzentriert, besonders in Niederösterreich und im Burgenland, während in westlichen Bundesländern deutlich weniger Anlagen stehen. Das passt zu den dort günstigeren Windbedingungen und zu großen, gut erschließbaren Flächen im Osten. 29.1 Sehr hohe Wasserkraftanteile findet man zum Beispiel in Norwegen, Paraguay und Island. Solche Länder haben entweder sehr wasserreiche Gebiete, große Höhenunterschiede oder beides, was Wasserkraft besonders attraktiv macht. 29.2 Pumpspeicherkraftwerke können Schwankungen ausgleichen, weil sie bei Stromüberschuss Wasser in ein höheres Becken pumpen und bei Bedarf über Turbinen wieder ablassen und Strom erzeugen. In der Praxis reichen bestehende Speicher aber meist nicht aus, um längere Schwachwind- oder Winterphasen alleine zu überbrücken, weshalb zusätzlich Netzausbau, flexible Verbraucher, Batterien und weitere Speichertechnologien gebraucht werden. 29.3 + 29.4 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial 31.1 Die gesamte solare Einstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre liegt bei etwa 1361,6 W/m 2. Daraus folgt, dass die Erde pro Jahr in der Größenordnung von 5,5·10 24 J Sonnenenergie „angeboten“ bekommt. Der weltweite Primärenergieverbrauch liegt bei ungefähr 620 EJ pro Jahr, also 6,2·10 20 J, weshalb die jährliche Sonneneinstrahlung grob rund 9000-mal größer ist als der jährliche Energiebedarf der Menschheit. 31.2 Solarzellen werden typischerweise aus Silizium hergestellt. Dies wird aus Quarzsand gewonnen und hochrein gereinigt. Anschließend wird es geschmolzen, zu Blöcken (Ingots) geformt und in dünne Scheiben (Wafer) gesägt. Die Wafer werden dotiert und zu Zellen mit Kontakten verarbeitet wird, die dann zu Modulen laminiert werden. Moderne PV-Systeme haben je nach Technologie und Standort oft eine Energierücklaufzeit in der Größenordnung von wenigen Jahren, weil sie im Betrieb sehr viel mehr Energie erzeugen als für Herstellung und Installation benötigt wurde. 34.1 FLOPS misst, wie viele Gleitkommaoperationen pro Sekunde ein System ausführen kann. Im Buch wird als Beispiel ein ExaFLOPS-Supercomputer genannt, was etwa 1018 Operationen pro Sekunde bedeutet. Frühe Rechner aus der Anfangszeit waren mechanisch oder elektromechanisch und lagen viele Größenordnungen darunter, oft im Bereich von wenigen Operationen pro Sekunde. Ein modernes Smartphone erreicht heute in geeigneten Benchmarks typischerweise Werte im Bereich von 1 012 FLOPS. 37.1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 38.1 a) In der Praxis dominieren Silicium basierende Solarzellen, aber es wird auch an organischen Solarzellen geforscht. Aktuell sind außerdem Tandemkonzepte (z. B. Perowskit-Silicium) wichtig, weil sie höhere Wirkungsgrade ermöglichen, während Stabilität, Kosten, Rohstoffbedarf und Recycling zentrale Probleme bleiben. b) In Österreich werden Solarzellen vor allem auf Hausdächern, auf Gebäuden von Gewerbe und Industrie sowie in Freiflächenanlagen eingesetzt. (z.B. große Anlage am Flughafen Wien von mehreren zehn GWh pro Jahr. ) 38.2 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 42.1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 43.1 Um höhere Frequenzen zu erhalten, müsste man im Schwingkreis die Induktivität L und/oder die Kapazität C verkleinern, weil f 0 = 1 __ 2π √ _ LC dann größer wird. Das erreicht man zum Beispiel durch eine Spule mit weniger Windungen oder einen Kondensator mit kleinerer Kapazität. 45.1 Bei Saite und Antenne treten Resonanz und stehende Wellen auf, die man mit Knoten und Bäuchen beschreibt. Bei der Saite schwingt eine mechanische Welle, und bei der Antenne schwingen Ladung und Strom so, dass elektromagnetische Wellen abgestrahlt oder empfangen werden. In beiden Fällen bestimmen Randbedingungen und effektive Länge die Eigenfrequenzen. 48.1 + 48.2 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial 49.1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 49.2 SODIS nutzt Sonnenlicht, um Wasser in transparenten Flaschen durch UV-Strahlung und Erwärmung zu desinfizieren. WADI ist ein kleines Gerät, das anzeigt, wann die UV-Dosis ausreichend war, damit die Anwendung sicherer und einfacher wird. Für die Entwicklung braucht man eine klare Zielgröße (UV-Dosis), robuste Sensorik, eine sehr einfache Anzeige, Energieautarkie und Tests unter realen Umweltbedingungen. 50.1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 51.1 Zeitzeichensender wie DCF77 senden auf niedrigen Frequenzen mit sehr großer Reichweite. Die Antennen sind sehr groß, weil die Wellenlänge bei solchen Frequenzen sehr groß ist und effizientes Senden und Empfangen große Antennenstrukturen benötigt. 51.2 Unterwasserkabel sind für die Datenübertragung zwischen Kontinenten entscheidend, weil sie große Datenmengen stabil und mit geringer Verzögerung transportieren. Die Kabel werden mit Spezialschiffen verlegt und in Küstennähe oft in den Meeresboden eingebracht, um sie vor Schäden zu schützen. 52.1 Ein CCD-Sensor besteht aus vielen lichtempfindlichen Elementen, die je nach Helligkeit unterschiedlich viele Ladungsträger erzeugen und so das Bild elektrisch abbilden. Damit Farbbilder entstehen, muss das Licht in Rot, Grün und Blau zerlegt werden, weil sich aus diesen drei Grundkanälen die meisten Farben technisch zusammensetzen lassen (additive Farbmischung). Die Trennung geschieht zum Beispiel mit Prismensystemen oder Farbfiltern, und die Signale werden anschließend zu einem Farbbild kombiniert. 52.2 Ein LCD steuert die Lichtdurchlässigkeit pro Pixel über Flüssigkristalle, die die Polarisation des Lichts beeinflussen und so hell oder dunkel schalten. TFT 128 y892ir Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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