Für 110 kV: P L _ P = P·R _ U 2 = 1·10 8 VA·15 V/A ___ (1, 1·10 5 V) 2 ≈ 0,124 = 12,4 % Für 380 kV: P L _ P = P·R _ U 2 = 1·10 8 VA·15 V/A ___ (3,8·10 5 V) 2 ≈ 0,01 = 1 % 2 Energieversorgung, S. 33 Teste dein Wissen 1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 2 Kohle spielt in Österreich insgesamt nur eine sehr geringe Rolle, da „feste fossile Energieträger“ im Nutzenergiebedarf nur einen kleinen Anteil (~1,5 %) ausmachen. Im österreichischen Strommix dominiert Wasserkraft (ca. 60%), dazu Wärmekraftwerke (ca. 21%) und Wind/PV/Geothermie (ca. 19%). Damit ist Kohle im Strombereich nicht der prägende Hauptenergieträger (anders als z.B. in manchen anderen Ländern). 3 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 4 Photovoltaik (PV): Sonnenlicht Solarzelle erzeugt elektrischen Strom (Gleichstrom) Wechselrichter macht daraus Wechselstrom fürs Haus/Netz. Solarthermie: Sonnenstrahlung erwärmt ein Medium (Wasser/Wärmeträger) Warmwasser/Heizungsunterstützung. Solarthermische Kraftwerke: Spiegel bündeln Sonne erhitzen Fluid Dampf Turbine/Generator erzeugt Strom (ähnlich Wärmekraftwerk, aber Wärmequelle ist Sonne). 5 + 6 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial 7 Große Unterschiede im Pro-Kopf-Energiebedarf: z. B. USA ~ 75 000 kWh/Jahr, Österreich ~ 43 000 kWh/Jahr, Indien ~ 8 000 kWh/Jahr. Erklärung: Unterschiede entstehen u. a. durch Industrialisierungsgrad, Mobilität/Verkehr, Wohnfläche/Heizbedarf, Effizienz, Infrastruktur und Wohlstandsniveau. 8 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 9 Erneuerbare Energien stammen aus Quellen, die sich laufend regenerieren (z.B. Sonne, Wind, Wasser, Biomasse, Erdwärme) und daher im menschlichen Zeitmaßstab nicht „verbraucht“ werden. Fossile Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) und Kernbrennstoffe (z.B. Uran) werden durch Nutzung weniger und sind begrenzt. 10 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 11a) Fossile Energie wie Kohle, Öl und Gas ist wie ein Vorrat, der irgendwann leer wird. Erneuerbare Energie kommt von Sonne, Wind und Wasser – das kommt immer wieder. Darum wollen wir mehr erneuerbare nutzen. 11b) Fossile Energieträger sind endlich vorhandene Rohstoffe. Hingegen senken erneuerbare Energieträger Abhängigkeiten und Emissionen, brauchen aber Ausbau von Netzen/Speichern und effiziente Nutzung. 12 1. Energieeffizienz: Verbrauchsreduktion durch Technik/Isolation/Optimierung. 2. Erneuerbare Energien massiv und regional passend ausbauen. 3. Netze + Speicher + Flexibilität (Lastmanagement, Speichertechnologien). 13 + 14 + 15 Beispielantworten im digitalen Zusatzmaterial Rechenaufgaben 1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 2a) 108·10 12 __ 3,6·10 6 kWh = 108 _ 3,6 ·10 6 kWh = 30·10 6 kWh 2b) 1 GWh = 106 kWh ⇒ 30 000 000 kWh = 30 GWh 2c) 1 TWh = 1000 GWh ⇒ 30 GWh = 0,03 TWh 3a) 180 GWh = 180·3,6·10 12 J = 648·10 12 J = 6,48·10 14 J 6,48·10 14 __ 10 6 MJ = 6,48·10 8 MJ 3b) 6,48·10 14 __ 10 9 GJ = 6,48·10 5 GJ 3c) 6,48·10 14 __ 10 15 PJ = 0,648 PJ 3 Halbleiter, S. 41 Teste dein Wissen 1 Ein Halbleiter ist ein Festkörper, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren und metallischen Leitern liegt. Ein wesentliches Merkmal ist ihr Temperaturverhalten: Bei tiefen Temperaturen wirkt er eher wie ein Isolator. Mit steigender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit zu (im Gegensatz zu Metallen). In einem reinen Halbleiter (z. B. Silicium) sind die Valenzelektronen im Kristallgitter zunächst gebunden. Durch thermische Anregung (Gitterschwingungen aufgrund steigender Wärmeenergie) werden einige Elektronen aus Bindungen gelöst. Dadurch entstehen frei bewegliche Elektronen (Leitungselektronen) und „Elektronenlöcher“ (fehlende Elektronen welche sich wie positive Ladungsträger verhalten). 2 ausführliche Antwort im digitalen Zusatzmaterial 3 Aufbau: Eine Diode besteht aus einer p-Schicht und einer n-Schicht. An der Grenzfläche entsteht der pn-Übergang (steuerbare Kontaktfläche). Eine ausführliche Antwort findest du im digitalen Zusatzmaterial. 4 Ein Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten (npn oder pnp). Er wirkt als regelbares Stromventil: Ein kleiner Steuerstrom/kleine Steuerspannung kann einen viel größeren Strom schalten/regeln. Beim npn-Flächentransistor wird durch eine gegen den Emitter positive Basisspannung U BE die Sperrschicht am Basis-Emitter-Übergang abgebaut, sodass ein kleiner Basisstrom I B einen viel größeren Kollektorstrom I C bis hin zur Sättigung steuern kann. Typische Anwendungen: – Schalter (digital: „ein/aus“) – Verstärker (analog: kleines Signal größeres Signal) 5 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 6 Licht Elektrizität: Photodiode (z. B. Lichtmessung in Kameras, Lichtschranken, IR-Empfänger), Solarzelle (Photovoltaik-Anlagen) Elektrizität Licht: LED (Anzeigeelemente, Raum-/Straßenbeleuchtung, Fahrradlicht, Display-Hintergrundbeleuchtung), OLED (Displays; organische LEDs für Smartphone/TV) 7 Eine Solarzelle ist im Kern ein pn-Übergang (wie eine Diode), aber so ausgelegt, dass Licht Ladungsträger erzeugt. Ablauf/Funktionsweise im digitalen Zusatzmaterial 8 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 9 Bei der optoelektronischen Nachrichtenübertragung werden Informationen als Lichtsignal übertragen. Der Sender erzeugt/moduliert Licht, der Empfänger wandelt dieses Licht wieder in ein elektrisches Signal um. Beispiele dazu findest du im digitalen Zusatzmaterial. 10 ausführliche Antwort im digitalen Zusatzmaterial 11 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial Rechenaufgaben 1a) N(Δt) = N 0·e k·Δt 1 180 000 = 275 000·e k·4 → 1 180 000 __ 275 000 = e k·4 → k = 1 _ 4 ln( 1 180 000 __ 275 000 ) ≈ 1 _ 4 ln(4,291) ≈ 0,364 N(Δt) = 275 000·e 0,364·Δt da e 0,364 ≈ 1,439folgt für das Wachstumsgesetz: N(Δt) ≈ 275 000·1,44 Δt b) Verdopplungszeit T d: 2 = e k·T d⇒ T d = ln(2) _ k = ln(2) _ 0.364 ≈ 1,9 Jahre 2 Δt = 2024 − 2004 = 20 Jahre → n = Δt _ 2 = 10 N(2024) = N(2004)·2 n = 10 8·2 10 ≈ 1.024·10 11 4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen, S. 57 Teste dein Wissen 1 Beispielantwort im digitalen Zusatzmaterial 2 Ein Schwingkreis besteht aus einem Kondensator C (speichert elektrische Energie im elektrischen Feld) und einer Spule L (speichert Energie im magnetischen Feld). Eine ausführliche Beschreibung findest du im digitalen Zusatzmaterial. 3 Die Thomson’sche Formel gibt die Eigenfrequenz f eines idealen LC-Schwingkreises (ohne Dämpfung) in Abhängigkeit von der Induktivität L und Kapazität C an: f = 1 __ 2π· √ _ LC Je größer/kleiner L oder C, desto kleiner/größer die Eigenfrequenz. Es sind indirekt proportionale Größen mit f ∝ 1/ √ _ LC . 4 Aus f = 1 __ 2π· √ _ LC folgt: Für möglichst große Frequenzen f muss das Produkt LC möglichst klein sein. Für möglichst hohe Frequenzen sind also folgende Änderungen am Schwingkreis nötig: – Kapazität C verkleinern (z. B. kleinere Kondensatorplatten/geringere Fläche oder größerer Plattenabstand), – Induktivität L verkleinern (z. B. weniger Windungen, kleinere Spule). 5 In einer Dipolantenne bildet die Stromstärke entlang der Antenne eine stehende Welle. An den Enden entstehen Stromknoten und in der Mitte ein Strombauch. Der Antenne kann dadurch eine Wellenlänge λ zugeordnet werden. Sie ist gleich der doppelten Länge L der Antenne und es gilt: λ = 2·L ⇒ L = λ/2 Darum ist die Antennenlänge gleich λ/2und man nennt sie λ/2-Dipol. 6 Elektromagnetische Wellen kann man nachweisen, indem man ihre Wirkung auf Materie/Detektoren misst: z.B. induzierte Ströme, Erwärmung, chemische/ biologische Wirkung, Ionisation. Beispiele für Nachweis/Empfänger im digitalen Zusatzmaterial 7 Aufbau/Funktionsweise: Ein Magnetron erzeugt elektromagnetische Wellen (Mikrowellen) mit λ ≈ 12cm, die über einen Hohlleiter in den Garraum gelangen. Im Garraum werden die Wellen an Metallwänden reflektiert, wodurch stehende Wellen mit Hot Spots entstehen. Austritt von Mikrowellenstrahlung wird u.a. durch ein Metallgitter im Sichtfenster verhindert. Wasser in Speisen absorbiert die Mikrowellen: H2O-Moleküle werden zum Rotieren/Schwingen angeregt. Die dadurch resultierenden molekularen Stöße wärmen die Speise auf. Argumente für Mikrowelle: schnelles Erwärmen (v. a. wasserhaltige Speisen), energieeffizient fürs Aufwärmen kleiner Portionen. 131 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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