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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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Generator für Windrad

Foto:Rotor des Generators einer Windenergieanlage.Es handelt sich hier um einen Vielpol-Generator, erkenntlich an der Vielzahl von Spulen auf dem äußeren Ring. Diese bewegen sich bei Betrieb an einem Statorring vorbei, der mit einer entsprechenden Anzahl von Permanentmagneten bestückt ist. Im Innenbereich des Rotors kann man die Regelelektronik erkennen. Diese Vielpol-Generatoren mit Permanentmagneten liefern bei relativ geringem Volumen und geringer Masse über einen weiten Drehzahlbereich gute Leistung. Auf ein Getriebe zur Anpassung der Frequenz des gelieferten Wechselstroms kann verzichtet werden. Der Wechselstrom, egal welcher Drehzahl, wird zunächst gleichgerichtet und anschließend nach elektronischer Wechselrichtung mit exakt 50 Hz ins Netz eingespeist. Hinweise und Ideen:Wie hängt die Frequenz eines Wechselstromgenerators von der Drehzahl ab? Warum haben herkömmliche Windräder eine aufwändige Drehzahlregelung mit Getriebe und Generatoren mit abschaltbaren Polpaaren?


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Magnetic energy

Overview graphic:
Two manifestations of magnetic energy are compared: the magnetic energy of a current-bearing coil and that of an elementary magnet.

Magnetic energy is the energy that is stored in a current-bearing coil in the form of its magnetic field. It is the result of the work that the current has to perform in opposition to the induced voltage (Faraday?s law of induction). Conversely, this magnetic energy is released again in the form of electric current when the magnetic field collapses. Magnetic energy is also stored in a magnetized material. It is equivalent to the work that must be expended in order to align the magnetic dipoles of this material in an external magnetic field. In ferromagnetic materials, the magnetic dipoles align themselves in small zones ("Weiss domains"), even without an external magnetic field. If the Weiss domains are now aligned by an external magnetic field, a permanent magnet is produced.
Incidentally: If a permanent magnet is heated above a critical temperature, it loses its magnetization. The magnetic energy is released as additional heat at this so-called Curie temperature.

Information and ideas:
A simple experiment on magnetization: If you pass a permanent magnet over an iron nail, it magnetizes the nail. What work has to be expended for this, apart from the friction work? Is the permanent magnet or its magnetic energy "used up" in the process?

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Turbinen und Generatoren im Walchenseekraftwerk

Foto:Turbinenhalle im Walchenseekraftwerk bei Kochel in Oberbayern, Deutschland. Links sieht man die horizontal liegenden Francisturbinen und rechts die damit verbundenen Generatoren.Das Walchensee-Kraftwerk gehört zu den größten Speicher-Kraftwerken Deutschlands. Als es 1924 in Betrieb genommen wurde, war es eines der modernsten Speicherkraftwerke weltweit. Es nutzt zwei natürliche Seen, den Walchensee als Oberbecken und den Kochelsee als Unterbecken. Über sechs 430 m lange Druckrohre mit einem nach unten leicht abnehmenden Durchmesser von rund 2 m fließt das Wasser über 200 m Fallhöhe zu den acht Turbinen im Maschinenhaus. Jährlich liefern die 8 Turbinen etwa 300 Millionen Kilowattstunden umweltfreundliche Energie. An die 100.000 Besucher besichtigen jährlich das Informationszentrum am Walchenseekraftwerk.


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Innenohr - Lage im Schädelknochen

Übersichtsgrafik: Die Lage des Innenohrs im Schädelknochen.Das Innenohr liegt in keiner Knochenhöhle, sondern es ist als “knöchernes Labyrinth” nahtlos im Felsenbein eingebettet. Das Felsenbein ist selbst wieder Bestandteil des Schläfenbeins. Hinweise und Ideen:Vom Einfachen zum Komplexen: Das eigentliche Hörorgan, das in der Schnecke des Innenohrs liegt, ist recht komplex. Es ist also sicher von Vorteil, wenn der Schüler zunächst eine Vorstellung bekommt, wo und wie das Innenohr im Schädel liegt. Unterrichtsbezug:Bau und Leistung eines SinnesorgansReizaufnahme und InformationsübermittlungSinnesleistungen.

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11-18

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Anatomie (Mensch) Diagramm Ohr

Sprachen

Deutsch

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Schnecke - Übersicht

Grafik, beschriftet: Die Hörschnecke mit Lage von Vorhof, ovalem Fenster und rundem Fenster. Zur Zuordnung der Ein- und Austrittsöffnungen für den Schall.Die Cochlea besteht aus einem gewundenen Gang, der im Querschnitt dreiteilig erscheint. Der aufwärts führende Teil heißt Vorhoftreppe und beginnt am ovalen Fenster. Zwischen den beiden Treppen befindet sich ein häutiger Schlauch, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. In diesem befindet sich das eigentliche Hörorgan, das cortische Organ.Hinweise und Ideen:Einsetzbar in einem Arbeitsblatt, zur gemeinsamen Erarbeitung über den Beamer oder als Overhead-Folie.Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Bau und Leistung eines SinnesorgansReizaufnahme und InformationsübermittlungSinnesleistungen.

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Anatomie (Mensch) Diagramm Ohr

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Energieträger regenerativ

Übersichtsgrafik: Abbildung der regenerativen Energieträger Sonne, Wind, Wasser, Erdwärme und Biomasse mit je einer exemplarischen Kraftwerkslösung.Regenerative Energien sind nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich, da sie sich sozusagen von selbst erneuern. Sie stellen aufgrund ihrer deutlich geringeren Werte bei der Kohlendioxidemission eine Alternative zu fossilen Energieträgern dar. Jeder regenerative Energieträger wird mit einer spezifischen Nutzung in Kraftwerken kombiniert dargestellt: Energieträger Sonne und Solarthermieanlage, Energieträger Wind und Windrad, Energieträger Wasser und Flusskraftwerk, Energieträger Erdwärme und Geothermiekraftwerk, Energieträger Biomasse und Biomassekraftwerk.Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler erhalten mit dem Schaubild einen Überblick über regenerative Energieträger. Gleichzeitig wird eine Verbindung zu den Energieumwandlungstechnologien hergestellt. Das Schaubild kann als Einstieg in das Thema regenerative Energien und gleichzeitig als Ausgangspunkt für eine Auseinandersetzung mit Energiequellen, Energieumwandlern sowie Umwelt und Ökologie dienen. Ausführliche Informationen findet man im Leitfaden “Regenerative Energien”.


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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.


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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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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Diagramm Optik Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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Phasendiagramm von Wasser

Diagramm:p-T-Diagramm des reinen Wassers. Die Linien geben an, bei welcher Temperatur und welchem Druck die Phasen fest, flüssig und gasförmig miteinander im Gleichgewicht stehen. Nur am Tripelpunkt sind alle drei Phasen im Gleichgewicht, sonst sind es maximal zwei.Das Diagramm enthält neben den Gleichgewichtskurven (Schmelzdruckkurve, Sublimationskurve, Dampfdruckkurve) auch die Druck- und Temperaturangaben für Schmelz-, Siede-, Tripel- und kritischen Punkt.Achtung: Die Achsen des Diagramms sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.Hinweise und Ideen:In diesem Diagramm spiegelt sich auch die Dichte-Anomalie des Wassers (im festen Zustand niedrigere Dichte als im flüssigen Zustand) wider: Die Schmelzdruckkurve weist eine negative Steigung auf. Grund für die Dichte-Anomalie sind die Wasserstoffbrückenbindungen.


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