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Strahlungsenergie

Diagramm:Formeln für die Strahlungsenergie elektromagnetischer Wellen und das Planck'sche Strahlungsgesetz.Strahlungsenergie ist die Energie elektromagnetischer Wellen. Sie ist proportional zum Quadrat der Amplitude der elektrischen bzw. der magnetischen Feldstärke. Elektromagnetische Wellen hoher Frequenz und damit Energie haben Teilchencharakter. Die Energie dieser Teilchen ist proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge. Der Proportionalitätsfaktor ist das Planck’sche Wirkungsquantum h. Dass Strahlungsenergie quantisiert sein muss, fand Max Planck bei der Untersuchung der Strahlung schwarzer Körper. Er formulierte ein Strahlungsgesetz, das aber erst durch Einsteins Postulat von den Lichtquanten erklärt werden konnte. Zahlenbeispiel für die Planck’sche Strahlungsformel:Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5.800 K, die damit verbundene Strahlungsleistung ist nach der Planck’schen Strahlungsformel 3,85 x 1023 kW. Davon trifft nur ein sehr kleiner Anteil auf die Erde (bei senkrechtem Strahlungseinfall 1,37 kW/m²).Hinweise und Ideen:Strahlungsenergie kann vielfach in andere Energieformen umgewandelt werden: Beim Röntgen wird die Strahlungsenergie in chemische Energie verwandelt (Schwärzung des Fotofilms), Licht wird in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, ebenso Funkwellen in einer Antenne. Die Energie von Mikrowellen kann man zur Erwärmung von Speisen verwenden.


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Schallbeugung

Schemagrafik:Beugung ist eine typische Verhaltensweise von Schallwellen, wenn sie auf ein Hindernis treffen.Die Beugung von Schallwellen ist ein physikalischer Mechanismus, der für das Eindringen von Schallenergie in akustische Schatten sorgt. Das heißt der Schall ist auch in Bereichen hörbar, die vom direkten Schalleinfall abgeschattet sind, wie etwa hinter Hindernissen. Hinweise und Ideen:Die Beugung des Lichts lässt sich nachweisen, wenn ein paralleles Strahlenbündel einfarbigen Lichts auf einen engen Spalt gerichtet wird. Ein hinter dem Spalt aufgestellter Schirm gibt eine Beugungsfigur (helle und dunkle Streifen, die nach außen an Intensität verlieren).Beim Schall ist ein direkter Bezug zur Alltagswelt der Schüler noch besser möglich: Warum kann man die vor einem Gebäude verlaufende Straße hören, obwohl man dahinter steht?Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

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13-18

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Diagramm Optik Schall Welle (Physik)

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Deutsch

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Linse und Abbildungsgleichung

Schemagrafik: Die vom Gegenstand ausgehenden Lichtbündel müssen durch eine Linse zu den Punkten eines Bilds gesammelt werden. Die dabei geltenden Gesetze beschreibt die Abbildungsgleichung.Zur Konstruktion des Bildpunktes sind mindestens zwei der folgenden Strahlen nötig:• Strahl vom Gegenstand parallel zur optischen Achse (Parallelstrahl)• Strahl vom Gegenstand durch den Brennpunkt der Linse (Brennstrahl)• Strahl vom Gegenstand durch den Mittelpunkt der Linse (Mittelpunktstrahl).Der Mittelpunktstrahl geht ohne Richtungsänderung durch die Linse. Der Parallelstrahl geht hinter der Linse durch den Brennpunkt. Der Brennstrahl wird hinter der Linse zum Parallelstrahl.Hinweis: Die Abbildungsgleichung wird oftmals auch als “Linsenformel” bezeichnet.Hinweise und Ideen:Wozu braucht man eine Linse?

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13-18

Schlüsselwörter

Diagramm Licht Linse (Optik) Optik

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Deutsch

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Schwingungen und Wellen

Übersichtsgrafik:Die wichtigsten Kenngrößen von Schwingungen und Wellen im Überblick.Elektromagnetische Wellen sind Schwingungen der elektrischen und magnetischen Feldstärke, die sich räumlich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Die Kenngrößen der Schwingungen und Wellen, wie z. B. die Frequenz, werden hier in der Übersicht gezeigt.Hinweise und Ideen:Als Überblicksinformation für die Schülerinnen und Schüler zum Thema “Schwingungen und Wellen”. Wichtige Grundlage für das Verständnis der Schallwellen in der Akustik.

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11-18

Schlüsselwörter

Diagramm Optik Schall Welle (Physik)

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Deutsch

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Reflexion

Schemagrafik:Das Phänomen der Reflexion wird mit dem Strahlencharakter des Lichts erklärt.Der Strahlencharakter des Lichts wird am Phänomen der Reflexion deutlich: Licht wird an spiegelnden Flächen gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert.1. Der einfallende Strahl und der reflektierte Strahl liegen in einer Ebene.2. Der Einfallswinkel ist genauso groß wie der Ausfallswinkel.Hinweise und Ideen:Gerade im Bereich Reflexion (inklusive zum Thema Spiegel) bieten sich Experimente an, die die Schüler mit einfachen Mitteln selbst durchführen können.

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13-18

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Diagramm Licht Optik

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Deutsch

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Solarthermische Kraftwerke - Prinzip

Grafik, beschriftet:Das physikalische Prinzip eines Parabolrinnenkraftwerks und einer Dish-Stirling-Anlage im Vergleich.Zunehmend werden Kraftwerke zur Stromerzeugung aus Sonnenwärme gebaut. Die Grafik zeigt zwei Bauweisen, die sich durchgesetzt haben.Parabolrinnenkraftwerk: Ein großes Sonnenkraftwerk, dessen Leistung vergleichbar mit Kohlekraftwerken ist. Lange Zeilen von Parabolspiegeln haben in ihrem Brennpunkt ein Absorberrohr, das mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist. Über einen Wärmeaustauscher erzeugt das heiße Arbeitsmittel Dampf, mit dem sich dann große Dampfturbinen und Generatoren betreiben lassen.Dish-Stirling-Anlage: Ein eher kleines Kraftwerk, dessen zentrales Element ein großer runder Hohlspiegel (Dish, Teller) ist. In seinem Brennpunkt befindet sich der Arbeitszylinder eines Stirlingmotors, der einen Generator antreibt. Das gegenwärtig leistungsfähigste Kraftwerk dieser Art ist der Euro-Dish-Stirling-Typ. Hinweise und Ideen:Zu den solarthermischen Kraftwerken zählen auch das “Aufwindkraftwerk”, der “Sonnenofen” und das “Turmkraftwerk”. Wie sind diese Kraftwerke aufgebaut und wie funktionieren sie? In welchen Gegenden auf der Erde gibt es solarthermische Kraftwerke und von welchem Typ sind sie? Weiterführende Informationen zum solarthermischen Kraftwerk findet man im Leitfaden “Regenerative Energien”.


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Parabolrinnenkraftwerk

Foto: Parabolrinnen-Kraftwerk in Lockhart bei Harper Lake in Kalifornien (Mojave Solar Project)Diese Sonnenkraftwerke arbeiten mit langen Zeilen (z. B. 112 m) von Parabolspiegeln, in deren Brennpunkt ein Rohr mit Arbeitsmittel verläuft. Die Ausrichtung der Spiegel wird dem Sonnenstand automatisch nachgeführt. Die Strahlung wird durch die Bündelung im Spiegel 80-fach verstärkt und ein Öl im Absorber wird auf rund 400 °C erhitzt. Das heiße Öl fließt zum Kraftwerkshaus, wo es über einen Wärmeaustauscher Wasserdampf erzeugt, der eine Dampfturbine mit Generator antreibt. (Alternativ werden Kraftwerke mit flüssiger Salzschmelze im Absorberrohr angedacht.) In den USA arbeitet seit 20 Jahren ein Parabolrinnenpark aus neun Kraftwerken mit einer Gesamtleistung von 350 MW. In Spanien erreichen Andasol 1, 2 und 3 zusammen 150 MW. Dank integriertem Wärmespeicher aus Salzschmelze liefert Andasol auch ohne Sonne über 7 h volle Leistung. In Marokko entsteht derzeit die weltweit größte Anlage mit 580 MW.


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Dish-Stirling-Anlage

Foto:Ein sog. Euro-Dish-Stirling-Kraftwerk in Südfrankreich. Es hat bei 17 m Durchmesser eine Leistung von 50 kW.Kleinere Solarkraftwerke besitzen einen runden Hohlspiegel (“dish” = Teller), in dessen Brennpunkt sich der Arbeitszylinder eines Stirlingmotors befindet. Auf die Welle eines Stirlingmotors ist direkt der Generator aufgesetzt. (Alternative: Verwendet man einen Permanentmagneten als Kolben, kann die Stromerzeugung als Lineargenerator direkt in den Stirlingmotor integriert werden). Dish-Sterling-Kraftwerke werden z. B. in sonnenreichen Gegenden ohne Stromnetz zum teilweisen Ersatz von Dieselgeneratoren eingesetzt. Bei entsprechend großen Batteriespeichern kann auf Dieselgeneratoren verzichtet werden.Quelle des Fotos: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=362869


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Magnetische Energie

Übersichtsgrafik:Zwei Erscheinungsformen magnetischer Energie werden gegenübergestellt: die magnetische Energie einer stromdurchflossenen Spule und die eines Elementarmagneten.Magnetische Energie ist die Energie, die in einer stromdurchflossenen Spule in Form ihres Magnetfelds gespeichert ist. Sie resultiert aus der Arbeit, die der Strom gegen die induzierte Spannung (Faraday’sches Induktionsgesetz) verrichten muss. Umgekehrt wird diese magnetische Energie wieder als Strom frei, wenn das Magnetfeld abgebaut wird. Auch in einem magnetisierten Stoff ist magnetische Energie gespeichert: Sie entspricht der Arbeit, die aufzuwenden ist, um die magnetische Dipole dieses Stoffs in einem äußeren magnetischen Feld auszurichten. In ferromagnetischen Materialien richten sich die magnetischen Dipole in kleinen Bereichen (“Weiߒsche Bezirke”) auch ohne äußeres Magnetfeld aneinander aus. Richtet man nun die Weiß'schen Bezirke durch ein äußeres Magnetfeld aus, erhält man einen Permanentmagneten. Übrigens: Erhitzt man einen Permanentmagneten, so verliert er oberhalb einer kritischen Temperatur seine Magnetisierung. Die magnetische Energie wird bei dieser sog. Curie-Temperatur als zusätzliche Wärme frei.Hinweise und Ideen:Ein einfaches Experiment zur Magnetisierung: Ein Permanentmagnet magnetisiert durch Darüberstreichen einen Eisennagel. Welche Arbeit muss außer der Reibungsarbeit dabei aufgewendet werden? Wird dabei der Permanentmagnet bzw. dessen magnetische Energie “verbraucht”?


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Energiequellen für elektrischen Strom

Schemagrafik:Übersicht über die Umwandlungspfade von verschiedenen Energiequellen hin zu elektrischem Strom.Um die in nuklearen, regenerativen und fossilen Energieträgern enthaltenen Energieformen für den Menschen nutzbar zu machen, müssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden, z. B. in elektrische Energie (“Strom”). Von den hier gezeigten Energieträgern ist bei Kernenergie, nachwachsenden und fossilen Brennstoffen sowie Geo- und Solarthermie eine direkte Umwandlung in elektrische Energie nicht möglich. Daher müssen mehrere Umwandlungsschritte hintereinandergeschaltet werden. Die beiden letzten Schritte sind die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in der Turbine und die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator.Wasser- und Windkraft können direkt einen Generator antreiben und Photovoltaik erzeugt direkt elektrische Energie. Hinweise und Ideen:Sehr gut geeignet, um das Gesetz von der Erhaltung der Energie zu erläutern. Dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann, ist den Schülern nicht selbstverständlich.