Unter einem Stromausfall versteht man eine unbeabsichtigte Unterbrechung der Versorgung mit Elektrizität. Stromausfälle entstehen durch eine Unterbrechung des Stromkreises oder ein Ungleichgewicht von Bereitstellung und Bedarf.
Gibt es denn keine Möglichkeit, elektrische Energie für besondere Momente aufzubewahren?
Wenn Kraftwerke mehr Energie erzeugen, dann kann diese Energie nicht direkt als elektrische Energie gespeichert werden, sondern nur durch einen Umweg: Wasserpumpen werden betrieben, die Wasser auf einen Berg-Stausee hinaufpumpen. Wird später in einer “Lastspitze” im Stromnetz wieder mehr Energie benötigt, verwendet man dieses “hohe Wasser” dazu, Generatoren anzutreiben, die diese benötigte Energie in dem Moment erzeugen, in dem sie gebraucht wird.
Jede Energieumwandlung ist allerdings mit einem Verlust verbunden, Energie geht in Form von Wärme verloren. Wir sprechen hier vom Wirkungsgrad. Je höher, desto besser, er ist aber nie 100%.
Elektrische Kondensatoren speichern Ladungen.
Kondensatoren bestehen aus zwei Gebieten: einem positiv geladenen Gebiet, und einem negativ geladenen Gebiet. Dazwischen befindet sich ein elektrisches Feld, in dem die Energie gespeichert ist. Es gibt Kondensatoren als einfache Energiespeicher für elektronische Geräte in vielen verschiedenen Formen.
Wir erinnern uns an die Definition elektrischer Spannung: die Ladungen liegen getrennt vor. Üblicherweise würden sich + und – ausgleichen. Wer es schafft, Ladungen zu trennen und diese Trennung dann beizubehalten, hat elektrische Energie gespeichert.
Eine Batterie stellt Ladungen getrennt zur Verfügung.
Schauen wir uns die kleinste Batterie an – eine Galvanische Zelle. In ihr wird chemische Energie in elektrische Energie (Ladungstrennung) umgewandelt. Durch eine Redoxreaktion, dem gleichzeitigen Ablauf einer Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme). Dies passiert in zwei unterschiedlichen Metallen in einem Elektrolyt – einer leitfähigen Flüssigkeit.
Das eine Metall wird durch die Elektronenabgabe zum Pluspol der Batterie, das andere zum Minuspol. Werden die Pole verbunden, fließt Strom, wenn in der Batterie selbst die beiden Halbzellen durch eine Ionenbrücke verbunden werden, damit ein geschlossener Stromkreis hergestellt ist.
Mehrere galvanische Zellen kann man zu einer Batterie zusammenschalten. Batterien sind immer Gleichspannungsquellen. Die erste Batterie wurde 1800 von Alesandro Volta vorgestellt – ihm zu Ehren erhielt die elektrische Spannung die Einheit “Volt”.
Speicherkraftwerke sind Energiespeicher mit einer Umwandlung der Energieform.
Elektrisch betriebene Pumpen befördern Wasser in ein hochgelegenes Reservoir, wenn zu viel elektrische Energie zur Verfügung steht. Die Energie liegt dann als potenzielle Energie vor. Wird wieder elektrische Energie benötigt, kann das Wasser wieder heruntergelassen und in Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.
Es gibt in Österreich einige sehr bekannte Speicherkraftwerke, zum Beispiel: das Kraftwerk Kaprun.
Water released from the Verbund Hydro Power dam, located in Austria. 20,000 liters per second, travelling at 50m/s with 190 m of water exerting pressure [watch more: https://t.co/8sqdjdqAHq] pic.twitter.com/ikgqRr5HF8
— Massimo (@Rainmaker1973) June 21, 2022
Gespräch über Energiespeicher: Die Physikalische Soiree 186 (Podcast): Was kann man mit überschüssiger elektrischer Energie in Österreich tun. Karl Zach von der TU Wien hat ausgerechnet, wie lange die Pumpspeicher noch reichen.
Strom wird in Kilowattstunden abgerechnet (kWh). Watt? Wir denken bei Watt sofort an Leistung – Energie pro Zeit – und glauben als, dass wir für Leistung auch zahlen. Aber: dem E-Werk ist es ziemlich egal, wie langsam oder schnell wir die Energie aus dem Netz ziehen. Wir bezahlen die reine Menge. Das sagt auch die Einheit Wh – Energie pro Zeit (Watt) mal Zeit – hier kürzt sich die Zeit einfach heraus, wir zahlen für Energie. Und die wird in Joule gemessen. Die Einheit Wh bzw. kWh hat sich historisch entwickelt.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist mit rund 20% relativ gering, es müssten große Mengen an Solarpaneele in sonnenreichen Umgebungen installiert werden, um die großen Energiemengen zur Verfügung zu stellen, die von den Verbrauchern benötigt werden.
Der Strom kann auf mehrere Arten zu uns ins Haus gelangen, einer Methode wird im folgendem Beispiel erklärt.
Link zum Wikipedia Artikel über Wechselstrom
Ein Elektromotor beruht auf folgendem Prinzip: Ein elektrisches Kabel führt durch einen Magneten. Sobald Strom fließt, reagiert die Natur mit einer Kraft: der Lorentzkraft. Sie ist die Kraft auf eine Ladung, die sich in einem Magnetfeld befindet. Der Elektromotor ist eine geschickt gebaute Anordnung, die dieses Prinzip ausnützt, um einen Rotor in Drehung zu versetzen.
Der Vogel steht mit beiden Beinen auf derselben Spannung. Strom fließt aber nur bei Spannungsdifferenzen, es besteht daher für den Strom keine Veranlassung durch den Vogel zu fließen.
Elektrische Spannung entsteht, wenn Ladungen getrennt vorliegen. Auf der einen Seite positive Ladungen +++ und auf der andern Seite negative Ladunngen – – –
Elektrischer Strom entsteht dann, wenn es Spannung gibt. Und wenn sich die elektrischen Ladungen ausgleichen können, weil es einen elektrischen Leiter gibt. Elektrischer Strom ist das Fließen von elektrisch geladenen Teilchen.
Der elektrische Widerstand bestimmt, wie viel Strom bei gegebener Spannung fließen kann.
Wikipedia-Stichworte: Elektrizität
Marietta Blau war eine österreichische Physikerin, die eine photografische Methode entwickelt hat, mit der man den Zerfall von Elementarteilchen sichtbar machen konnte: die Zertrümmerungssterne. Zertrümmerungssterne sind Spuren der Kernreaktionen, die die Bestrahlung von Fotoplatten mit hochenergetischer Strahlung bewirkt.
Albert Einstein hat die Relativitätstheorie entwickelt, die zum ersten Mal zeigte, dass Raum und Zeit nicht unveränderlich sind, und dass Masse und Energie ineinander umgewandelt werden können. Er erhielt den Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorie, sondern für die Erklärung des photoelektrischen Effektes, der einer der experimentellen Ausgangspunkte für die Überlegungen der Quantenmechanik ist.
Isaac Newton (1643-1727) gehört zu den ersten und bedeutendsten systematisch arbeitenden Naturwissenschaftlern der Menschheit. Grundlegende Beiträge zur Dynamik, Optik, Himmelsmechanik, Mathematik und Chemie charakterisieren sein Lebenswerk. Heute ist ein berühmter Lehrstuhl in Cambridge nach ihm benannt, den derzeit Steven Hawking innehält, ein Astrophysiker.
Galileo Galilei (1564-1642) war ein italienischer Mathematiker, Physiker und Astronom, der bahnbrechende Entdeckungen auf mehreren Gebieten der Naturwissenschaften machte.
Man kann einen Menschen nichts lehren, man kann ihm nur helfen, es in sich selbst zu entdecken. — Galileo Galilei
Alle Körper fallen gleich schnell? Probiere es aus. Wenn die Form gleich ist. Die Masse ist egal.
In wissenschaftlicher Sicht ist Galileos streng mathematische und geometrische Vorgehensweise bemerkenswert und prägend. Er beschäftigte sich sein ganzes Leben lang mit „gleichmäßig beschleunigten Bewegungen“, und verwendete das Konzept einer schiefen Ebene um die Fallgesetze (wie sich die Gravitation der Erde auf den freien Fall eines Objektes auswirkt) zu studieren und zu prüfen. Vorallem kam er zu dem wichtigen Schluss, dass im Vakuum alle Objekte die gleiche Beschleunigung erfahren – völlig unabhängig von Dichte, Masse und Volumen!
Außerdem ist er der Begründer der Elastiziätstheorie, da er als erster feststellte dass ein Balken eine höhere Tragefähigkeit besitzt, wenn er hochkant aufgestellt wird und nicht flach. Diese Erkenntnis ist heutzutage zum Beispiel im Bauwesen von höchster Bedeutung, webenso wie es die Elastizitätstheorie an sich für die Berechnung der Festigkeit von Stoffen ist.
Desweiteren war er auch Erfinder, und erfand zum Beispiel Konzepte von Kerzen und Spiegeln, die das Licht durch ein gesamtes Haus leiten sollten, einen Tomatenpflücker, und den Vorläufer des Kugelschreibers.
Bis zur Zeit Galileis glaubte man, an dem mit leuchtenden Sternen übersäten Himmel sei alles vollkommen, nichts würde sich jemals verändern, und Bewegung, Geburt und Tod gäbe es nur auf der Erde.
Als Galilei sein Fernrohr auf den Himmel und die Sterne richtete, kam er zu einer verblüffenden Erkenntnis: Auf der Sonne gab es Flecken, der Planet Jupiter hatte vier Monde, die Oberfläche des Mondes ist rau, die über den Himmel ziehenden Kometen streiften manchmal fast die Erde kurzum, dort oben am Himmel, wie unten auf der Erde, gab es Bewegung und Veränderung und, dass die Venus Phasen zeigt – sich in Folge also nicht um die Erde, sondern um die Sonne dreht! Galileo leistete also einen großen Beitrag zur Prägung und Überprüfung des damals neuen Heliozentrischen Weltbildes.
Galilei ahnte, dass sowohl am Himmel als auch auf der Erde dieselben Naturgesetze herrschen. Wenn man die auf unserem Planeten herrschenden Bewegungen erklären kann, müsste man demzufolge auch verstehen, wie sich die Himmelskörper bewegen.
Doch so einfach ist die Sache nicht, denn oft scheinen die äußeren Erscheinungen den wissenschaftlichen Erkenntnissen zu widersprechen, und die Beobachtung allein genügt nicht:
Eine rollende Kugel wird nach einer gewissen Zeit langsamer und bleibt schließlich liegen. Je glatter die Kugel und je ebener die Fläche ist, desto länger hält die Bewegung an. Eine absolut vollkommene Kugel würde demnach auf einer ebenso vollkommenen, keinerlei Reibung verursachenden ebenen Fläche ewig weiterrollen.
Ein schwingendes Pendel zum Beispiel steigt praktisch auf dieselbe Höhe, von der es losgelassen wurde, da es nur sehr schwachen Widerständen ausgesetzt ist.
“Wenn man die Bewegung nicht begreift, kann man auch die Natur nicht begreifen” davon war Galilei überzeugt. Deshalb begann er, die Bewegung fallender Körper zu studieren.
Eine Metallkugel scheint schneller zu fallen als eine Baumwollkugel, doch wenn man eine Kugel aus dicht zusammengepresster Baumwolle und ein dünnes, breites Metallblatt beobachtet, so scheint die Baumwolle schneller zu fallen als das Metall.
Daraus schloss Galilei, dass der Schein trügt und dass alle Körper mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, sobald man den Widerstand der Luft ausschließt und einen luftleeren Raum schafft.
Zwei Wahrheiten können sich nie widersprechen. — Galileo Galilei
Der Überlieferung nach führte Galilei zahlreiche Experimente durch, bei denen er verschiedene Gegenstände vom berühmten Schiefen Turm von Pisa fallen ließ und die Zeit ihres Falls maß. Denn um die Bewegung richtig zu verstehen, so Galilei, muss man “eine Gleichung aufstellen”. Tatsächlich führte Galilei die Experimente auf schiefen Ebenen durch. Die Geschwindigkeit der rollenden Kugeln machte er durch Glocken hörbar, so dass etwaige Unterschiede besser wahrgenommen werden konnten.
Das “Große Buch der Welt” war für ihn in einer mathematischen Sprache geschrieben, deren Buchstaben Zahlen und geometrische Figuren waren. Trotz der Unzulänglichkeiten der Mittel jener Zeit gelang es Galilei, einfache Gesetze der Bewegung zu formulieren.
Erst die Entdeckung der Infinitesimalrechnung im ausgehenden 17. Jahrhundert machte es möglich, die von Galilei entdeckten Naturgesetze in mathematische Formeln zu fassen.
Die Entdeckungen, die ihm sein Fernrohr erlaubte, banden ihn endgültig an die Lehre des Kopernikus: die Sonne ist im Mittelpunkt des Planetensystems, nicht die Erde. Sein Eintreten für diese Lehre brachte ihn in Konflikt mit der Inquisition. Er wurde nach Rom zitiert, verhört und in Haft gehalten. Man drohte ihm die Folter an – Galilei widerrief seine Lehre und schwor ihr ab. Theoretisch blieb er bis zu seinem Tode ein Gefangener der Inquisition – allerdings ohne Kerker und Ketten. 1633 gestattete ihm der Papst, sich auf sein Landgut Arcetri zurückzuziehen. Hier schuf er sein eigentliches Hauptwerk, die Fall- und Trägheitsgesetze. Das Buch über diese Gesetze erschien, nachdem es nach Holland geschmuggelt worden war, erst 1638, weil es selbst in Leiden und Amsterdam keinen Verleger fand.
Galilei wurde zum Vater der “klassischen Physik”. Seine eigentliche Leistung besteht darin, dass er das Experiment als wesentliches Mittel zur Erkenntnis von “Naturgesetzen” erkannte. Er starb am 8. Januar 1642 in Arceti bei Florenz.
Galilei schaut durch das Fernrohr: Portrait des Wissenschaftlers und seiner Leistungen. Download.
Ein informatives Video zu seinem Lebenslauf (Englisch):
https://www.youtube.com/watch?v=rgmpYmbqUuA
Der Mikrokosmos ist die Welt des winzig Kleinen, im Gegensatz zum Makrokosmos, der Welt des riesig Großen. Dazwischen liegt der vom Menschen direkt wahrnehmbare Bereich, der Mesokosmos.
Ein Netzwerk besteht aus Verbindungen und Knoten. Um eine Netzwerk lahm zu legen, reicht es, eine geringe Anzahl von Knoten auszuschalten. Das kann bei Terroranschlägen ausgenutzt werden, aber auch zur Verhinderung von Pandemien durch das Stilllegen der wichtigsten Verkehrsknotenpunkte.
