Zurück auf die Schulbank: Grundkurs Physik ✏️

Was ist Energie?

Energie kann sowohl vom wirtschaftlichen als auch vom wissenschaftlichen Standpunkt aus betrachtet werden. Wenn wir über die wirtschaftliche Definition von Energie sprechen, geht es um Energie als natürliche Ressource – das, was wir Menschen produzieren und verbrauchen. Aber wir sind hier natürlich nicht im BWL-Unterricht, heute steht Physik auf dem Stundenplan! Und so sprechen wir bei Energie – laut Definition in der Physik – über die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Energie kann dabei viele verschiedene Formen annehmen: man denke an eine Lampe (Lichtenergie), die Heizung (Wärmeenergie), Laufen (kinetische Energie) oder den Strom, der aus deiner Steckdose kommt (elektrische Energie).

Wie misst man Energie?

Als eines der wichtigsten Grundprinzipien aller Naturwissenschaften gilt der sogenannte Energieerhaltungssatz. Dieser besagt, dass Energie in einem geschlossenen System weder neu erzeugt, noch verloren gehen kann. Die Gesamtenergie bleibt also immer gleich, sie wandelt sich lediglich in andere Energieformen um. Als kleines Experiment kann man dazu einfach die Hände aneinander reiben – voilà, du hast soeben kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt 💪.

Wenn wir also von Dingen wie Energieerzeugung, Energieverbrauch oder auch Energieverschwendung sprechen, ist damit im Prinzip gemeint, dass es Energieformen gibt, die für uns mehr und weniger nutzbar sind. Man spricht in diesem Zusammenhang dann auch von Energieeffizienz.

Wie können wir nun also Energie messen, wenn sie in so vielen verschiedenen Formen vorkommt? Das Internationale Einheitensystem (SI) für physikalische Größen definiert das Joule (J) als die Standardeinheit für Energie. Je nach Anwendungsbereich werden aber auch andere Einheiten für Energie verwendet. Wenn wir von elektrischer Energie – oder Elektrizität – sprechen, ist dies meist die Einheit Wattstunde (Wh). Eine Wattstunde entspricht der Energie, welche von einem System mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde aufgenommen bzw. abgegeben wird. Am Beispiel einer 40 Watt Glühbirne bedeutet das, dass diese in einer Stunde eine Energie von 40 Wh verbraucht.

Im Alltag noch gebräuchlicher ist die Kilowattstunde (kWh). Hier handelt es sich einfach um das Tausendfache einer Wattstunde. Diese dürfte fast jedem vertraut sein, da vor allem auch der Strompreis in € pro kWh berechnet wird. Kleines Beispiel hierzu: angenommen, du hast ein elektrisches Heizgerät mit einer Leistung von 1 kW. In der Tibber App siehst du immer den aktuellen Strompreis. Nehmen wir nun an, du nutzt dein Heizgerät eine Stunde lang, während der Strompreis 30 Cent/kWh beträgt. Die Stunde Heizen würde dich dann also insgesamt 30 Cent kosten.

Wat für’n Watt?

Okay, jetzt haben wir schon einige Male von Leistung gesprochen, aber was genau ist das jetzt wieder? Hier kommt das Watt (W) ins Spiel: die Standardeinheit für Leistung. Ein Watt entspricht einem Joule pro Sekunde. Wir erinnern uns: Joule ist die Einheit für Energie. Man könnte also sagen, Leistung ist quasi Arbeit pro Zeit (jetzt ergibt das auch plötzlich Sinn, warum man in der Schule für “Leistungskontrollen” immer ein Zeitlimit hatte). Am Beispiel unserer 40 Watt Glühbirne von vorher bedeutet das, dass diese pro Sekunde 40 Joule Energie verbraucht.

Was haben Wasser und Elektrizität gemeinsam? 💧⚡

Sprechen wir etwas mehr über Elektrizität. Die wissenschaftliche Definition ist zugegebenermaßen etwas kompliziert. Versuchen wir es also zunächst gaaanz einfach: Alles im Universum besteht aus winzigen Teilchen, den Atomen. Atome sind in der Regel umgeben von Elektronen. Diese Elektronen besitzen “Energie” in Form elektrischer Ladung. Was wir also allgemein als “Elektrizität” oder “Strom” verstehen, ist im Grunde ein Strom von Elektronen, die durch einen Draht, einen sogenannten Leiter, fließen.

Elektrizität hat drei grundlegende Komponenten:

• Die elektrische Spannung (U) gemessen in Volt (V)

• Der elektrische Widerstand (R) gemessen in Ohm (Ω)

• Die elektrische Stromstärke (I) gemessen in Ampere (A)

Zum besseren Verständnis, kann der Zusammenhang dieser Komponenten durch die sogenannte hydraulische Analogie erklärt werden. Hier vergleicht man den Elektronenfluss durch einen elektrischen Leiter mit einer Wasserleitung. Schauen wir uns das mal etwas genauer an:

💧 Wie schnell wir einen Eimer mit Wasser füllen können hängt davon ab, wie groß der Durchmesser der Leitung ist und welcher Wasserdruck auf der Leitung liegt.

Übertragen auf Elektrizität heißt das dann: 

• Die Spannung ist wie der Druck, der das Wasser durch die Leitung treibt.

• Die Stromstärke ist wie der Durchmesser der Leitung. Je breiter, desto mehr Wasser fließt hindurch.

• Der Widerstand ist wie Verunreinigungen, z. B. Kalk in der Leitung, die den Wasserfluss verlangsamen.

Spannung, Stromstärke und Widerstand sind voneinander abhängig. Ändert sich innerhalb eines Stromkreises eines davon, ändern sich auch die anderen. Wenn sich z. B. bei gleich bleibendem Druck mit der Zeit Kalk in der Leitung ablagert, ist das so, als würde sich der Durchmesser der Leitung verringern. Es fließt weniger Wasser. Oder anders gesagt, steigt bei konstanter Spannung der Widerstand, verringert sich die Stromstärke.

Für diesen Zusammenhang gilt: U = R x I

⚡ Jetzt kann man sich schon eher vorstellen, wie die kleinen Elektronen durch einen Draht huschen. Die Spannung stellt hier sozusagen deren “Antrieb” dar und die Stromstärke repräsentiert den Durchmesser des Drahtes bzw. wie viele Elektronen in einer bestimmten Zeit durch den Draht fließen. Man stelle sich nun vor, der Draht selber besteht aus Atomen. Wenn die Elektronen durch ihn hindurchfließen, reiben sie an diesen Atomen und werden dadurch langsamer: das ist der elektrische Widerstand. Wie wir anfangs schon durch unser kleines Experiment festgestellt haben, erzeugt Reibung auch immer Wärme. Je höher der Widerstand, desto mehr Wärme entsteht. Diesen Effekt nutzten wir z. B. in Wasserkochern und Haartrocknern. In anderen Bereichen – dazu kommen wir gleich noch – kann der Widerstand aber auch zum Problem werden.

Der Krieg der Ströme

Wenn wir über die Grundprinzipien der Physik sprechen, müssen wir uns auch noch kurz mit der Frequenz (f) beschäftigen. Das Hertz (Hz) ist hier die Standardeinheit nach SI (richtig gelesen, HerTz, hat nichts mit dem ❤ zu tun und auch nichts mit der Autovermietung 😉). Die Frequenz gibt an, wie oft etwas pro Sekunde passiert. Im Zusammenhang mit der Elektrizität ist dieses "Etwas" die so genannte Wechselladung. Um zu erklären, was das ist, müssen wir uns auf eine kleine Zeitreise begeben - genauer gesagt ans Ende des 19. Jahrhunderts.

Ein flächendeckendes und stabiles Stromnetz, wie wir es heute haben, war in den Vereinigten Staaten des 19. Jahrhunderts noch in weiter Ferne. Doch gerade zu dieser Zeit sollte sich die Zukunft des Stromnetzes entscheiden. Der "Krieg der Ströme" (Engl.: War of the currents) wurde von George Westinghouse und Nikola Tesla auf der einen und Thomas Edison auf der anderen Seite ausgetragen. Edison meinte “Gleichstrom (DC) ist die Zukunft!” Bei dieser Art Strom  fließen die Elektronen immer in dieselbe Richtung. Westinghouse und Tesla hingegen meinten: "Nö, nicht wirklich", und plädierten für Wechselstrom (AC), bei dem die Elektronen bei einer festen Frequenz ständig die Richtung wechseln. ⚡

👆 Der Gleichstrom (DC) von Edison: Die Elektronen im Stromkreis bewegen sich immer in dieselbe Richtung, was zu einer geraden Linie im Diagramm führt, die die konstante Spannung darstellt. 

👆 Der Wechselstrom (AC) von Westinghouse und Tesla: Die Elektronen im Stromkreis ändern ständig ihre Richtung mit einer festen Frequenz, was zu einer kontinuierlichen Welle in der Grafik führt, die die Wechselspannung darstellt. Wie sich herausstellte, hatten Westinghouse und Tesla Recht, denn dieses System hat sich letztendlich durchgesetzt. Wechselstrom ist das Energiesystem, das wir (unter anderem) heute verwenden. Im Gegensatz zum Wechselstrom, konnte der Gleichstrom damals zwar direkt über Leitungen vom Elektrizitätswerk an die Haushalte fließen, jedoch war der Widerstand der Kabel zu groß. Gleichstrom konnte zu dieser Zeit also nicht über weite Strecken transportiert werden. Beim Wechselstrom hingegen wurde der Strom mittels eines Transformators verstärkt und mit sehr hoher Spannung durch die Leitungen geschickt. So wirkte sich der Widerstand der Kabel nicht mehr so stark aus. Am Ende der Leitung sorgte dann ein zweiter Transformator für das Absenken der Spannung auf ein ungefährliches Maß. 

Die Frequenz der ständig wechselnden Ladung des Wechselstroms wird in Hertz gemessen, der Einheit, die wir vor unserer kleinen Zeitreise besprochen haben. In ganz Europa wird die Frequenz des Stromnetzes konstant bei 50 Hz gehalten.

Dreiphasenwechselstrom

Es gibt noch eine Sache, die wir uns ansehen müssen, bevor wir uns in die Pause begeben können, und das ist der Dreiphasenwechselstrom. Umgangssprachlich wird der auch oft Drehstrom oder Starkstrom (was genau genommen nicht korrekt ist) genannt. Im obigen Diagramm des Wechselstroms sieht man, dass die Spannung ständig zwischen einem positiven und einem negativen Wert auf- und abschwingt und zwischendurch kurzzeitig (fast) Null ist. Da auch der Nullleiter keine Spannung führt, gibt es immer wieder kurze Phasen, in denen die Spannung und auch der Energietransport im Stromkreis sehr niedrig und kurzzeitig sogar null ist. 

Um das zu umgehen, kann man den Aufbau des Stromkreises so ändern, dass statt eines Phasenleiters und eines Nullleiters (wie oben), keinen Nullleiter, sondern drei Phasenleiter gibt. Diese durchlaufen jeweils einen kompletten Zyklus 50 Mal pro Sekunde – wir erinnern uns: die Netzfrequenz. Jeder Draht hat dabei eine Phasenverschiebung von einem Drittel gegenüber seinem Vorgänger. Auf diese Weise gibt es keine “toten” Punkte mehr im Diagramm:

Warum ist das wichtig? Das erklärt sich am Besten auf einem Ausflug in Grüne. Schaut man sich die Freileitungen in der Umgebung an, stellen wir fest: meist werden jeweils 3 Leitungen geführt. Unser Stromnetz ist also ein Dreiphasennetz. Dreiphasige Netze machen die Stromübertragung effizienter, weil wir weniger Material benötigen, um eine höhere Energiedichte zu transportieren. ⚡️⚡️⚡️

Es gibt natürlich noch viel mehr über Elektrizität zu sagen und wir könnten ewig so weitermachen. Aber die Grundlagen sollten jetzt geklärt sein und wir können sagen: Der Unterricht ist beendet. 💚

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