Kategorie: Physik in Alltag und Technik

Ein Laser erzeugt Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge. Das Licht ist kohärent, das heißt, die Wellenzüge sind lange und haben eine feste Phasenbeziehung. Laserlicht kann daher leicht interferieren: Wellen können sich überlagern und je nach Phasenunterschied verstärken oder auslöschen. Bekannt ist rotes und grünes Laserlicht. Es breitet sich geradlinig als dünner Strahl aus, der sichtbar wird, wenn er auf Materie fällt (Nebel, Staub).

Das Licht im Laser entsteht durch so genannte „stimulierte Emission“. Elektronen werden angeregt, einen höheren Energiezustand einzunehmen, und alle auf einmal wechseln dann gemeinsam (stimuliert) auf einen niedrigeren Energiezustand, die Energiedifferenz wird als Licht ausgestrahlt.

Das kann konstruktiv verschieden bewerkstelligt werden, am leichtesten verständlich ist das Prinzip der Halbleiterlaser, wo es im Halbleiter ganz bestimmte, wohldefinierte Energiestufen gibt.

Laserlicht kann sehr schwach sein (Laiserpointer) oder sehr energiereich (Lasergravur).

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Laser

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Hier werden zwei Themen angesprochen:

1. Emissionen – Das ist all das, was jemand aussendet. Es gibt Schallemissionen, durch den Verkehr, durch Maschinen, durch Parties. Dagegen gibt es Schallschutz. Schalldichte Fenster, Schallschutzwände an Autobahnen und Eisenbahnlinien.
2. Solarzellen und Sonnenkollektoren. Sie verwenden die Energie der Sonne, um elektrische Spannung herzustellen, und um kaltes Wasser zu erhitzen.

Links: Lärm und Schallschutz (Stadt Wien): https://www.wien.gv.at/umwelt/laerm/ sowie https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle und https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor

Früher gab es noch keinen elektrischen Strom. Eine Getreidemühle wurde am Mühlbach gebaut. Die Wasserkraft drehte ein Mühlrad. Erst mit der Erfindung von Generatoren ist es möglich geworden, elektrische Energie aus Wasserkraft zu gewinnen, die man über eine Stromkabel an eine ganz andere Ecke des Landes schicken kann, wo sie von Elektromotoren verwendet werden kann.

Ein Generator besteht aus einem Magneten und einem Draht, der sich in einer Schleife im Magnetfeld dreht. Durch das „Induktionsprinzip“ wird dabei Spannung erzeugt. Die Ladungen im Draht werden getrennt, es entsteht eine elektrisch positiv geladene Seite und eine elektrisch negativ geladene Seite. Wechselspannung entsteht, weil sich die Leiterschleife dreht. Diese Spannung wird über Kabel übertragen.

Beim Elektromotor kommt diese Wechselspannung nun an. Strom fließt in diesem Kabel in die eine und die andere Richtung – ebenfalls wechselnd. Ein fließender Strom reagiert im Magnetfeld mit einer Kraft. Die sogenannte Lorentzkraft. Etwas bewegt sich, insgesamt dreht sich das drehende Teil im Motor.

Wie auch immer das ingenieurstechnisch gelöst wird, in der Physik interessiert uns das Prinzip.

Der Generator wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Link: Generatorprinzip

Der Motor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Link: Motorprinzip

Elektrischer Strom ist das Fließen von elektrischen Ladungen. Das ist möglich, wenn es elektrische Spannung gibt, wenn jemand die + und – voneinander getrennt hat. Das kann in einem Kraftwerk passieren, die diese getrennten Ladungen letztlich in unseren Steckdosen bereitstellt, oder das kann mit Batterien passieren, die nach ihrem Gebrauch weggeworfen werden (schlecht) oder in Akkus, die wieder aufgeladen werden können (gut).

Die elektrische Spannung in unseren Steckdosen, sowie der elektrische Strom in unseren Elektroleitungen im Haushalt, das ist potenziell gefährlich/gesundheitsschädlich. Deswegen gibt es Sicherheitsmechanismen, die im Sicherungskasten zu finden sind. Sicherungen stellen sicher, dass nicht zu viel Strom über die Leitung fließt, FI-Schutzschalter erkennen, dass es wo ein „Leck“ gibt, und der Strom einen Weg nimmt, der nicht über das Kabel verläuft.

Links:

1. Elektrische Energie Bedarf: https://de.wikipedia.org/wiki/Bedarf_an_elektrischer_Energie
2. Elektrifizierung: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrifizierung
3. Sicherung: https://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzsicherung
4. FI-Schalter: https://de.wikipedia.org/wiki/Fehlerstrom-Schutzschalter

Es gibt natürliche Lichtquellen und künstliche Lichtquellen. Feuer und Sonne, und wenn verfügbar, Glühwürmchen. Oder auch der Mond in der nacht. Das sind die natürlichen Lichtquellen. Künstliche Lichtquellen funktionieren auch dann, wenn die eben genannten nicht verfügbar sind. Sie funktionieren mit elektrischem Strom. Es gibt Glühlampen, die vorwiegend heiß werden, und dabei leuchten. Es gibt LED-Lampen, die sich wenig erhitzen und dabei vergleichsweise viel leuchten. Leuchtstoffröhren werden kaum mehr eingesetzt, bei ihnen beginnt Gas zu leuchten. Speziallampen gibt es natürlich auch: Natriumdampflampen zum Beispiel.

Beim Beleuchten muss beachtet werden, ob es gesetzliche Grenzwerte für minimal- oder maximale Beleuchtungsstärken gibt, an Arbeitsplätzen zum Beispiel. Im Wohnbereich kann man sich überlegen, ob alles gleichmäßig hell sein soll, oder ob es nicht besser ist, Lichtinseln zu schaffen.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Beleuchtung

Sonnenlicht ist wichtig für uns Menschen. Wichtig für das Gemüt. Wichtig für die Erzeugung von Vitamin D. Sonnenlicht ist aber auch Energie, und diese Energie kann zu Sonnenbrand führen. Besonders die hochfrequenten Anteile (UV-Strahlung) im Licht sind dafür verantwortlich. UV-Strahlung kann so energiereich sein, dass sie auch das Erbmaterial in Zellen verändern kann. Hautkrebs kann entstehen. Daher müssen wir uns vor intensivem, länger andauernden Sonnenlicht schützen.

Im Solarium passiert das Gegenteil. Wer sich dort bräunen lassen will, setzt sich absichtlich der Strahlung der Lampen aus. Grenzwerte, die Art der Lampen, und die Dauer der Bestrahlung stellen sicher, dass hier gewisse Energiemengen nicht überschritten werden.

Ob im Sonnenstudio oder am Strand: wir sollen vorsichtig und zurückhaltend mit dem Sonnenbaden umgehen.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Solarium

Energie ist notwendig, um Geräte zu betreiben, die wir täglich verwenden. Lampen für Licht, Mühlsteine zum Mahlen von Getreide, Backöfen für Brot. Bleiben wir beim Müller: früher kam die Energie für das Drehen der Mühlen aus dem angrenzenden Mühlbach. Mit Wasserrädern wurde die potenzielle Energie des Wassers umgewandelt in Rotationsenergie des Rades, mit Lederriemen wurde diese Drehung in das Innere der Mühle gebracht, wo sie die Mahlsteine antrieben. Das funktioniert auch mit Windrädern.

Heute geht das vorwiegend mit elektrischem Strom. Dazu muss elektrische Spannung hergestellt werden: Plus und Minus – die elektrischen Ladungen müssen getrennt werden. In Kraftwerken. Die elektrische Energie wird im ganzen Land verteilt. Elektromotoren wandeln sie wieder in mechanische Energie (Rotation) um.

Wasser, Wind und Sonne sind erneuerbare Energieträger. Erdöl, Erdgas sind fossile Energieträger – sie werden verbrannt, und dann sind sie weg. Zusätzlich entstehen bei der Verbrennung schädliche Treibhausgase.

Bei allen Energieumwandlungen fällt ein Teil als Wärmeenergie an – wird dieser Teil nicht genutzt, reduziert sich der sogenannte „Wirkungsgrad“. Er gibt an, wie gut die Umwandlung funktioniert.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Energieversorgung