Elektrische Energie

1 Die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes 6
1.1 Der elektrische Gong meldet sich 7

2 Die elektromagnetische Induktion 8
2.1 Bewegung erzeugt Spannung 8
2.2 Induktion durch Drehbewegung 9
Streifzug: Faraday und die Induktion 9

3 Wechselspannung - Wechselstrom 10
3.1 Wechselspannung als Sinuskurve 10
3.2 Der Effektivwert von Wechselspannungen 12
Streifzug: Stromquellen 13
3.3 Der Kondensator im Gleich- und Wechselstromkreis 14
3.4 Die Spule im Gleich- und Wechselstromkreis 15
3.5 Die lenzsche Regel 16
3.6 Die Selbstinduktion 17
3.7 Leistungsmessung im Wechselstromkreis 18

4 Wechselstromgeneratoren 20
4.1 Innen- und Außenpolgenerator 20
4.2 Das dynamoelektrische Prinzip 22
Streifzug: Werner von Siemens 23
4.3 Der Gleichstrommotor 24
4.4 Der Kommutator 25
4.5 Der Trommelanker 26
4.6 Der Gleichstromgenerator 27
4.7 Generator und Elektromotor im Einsatz 28
Pinnwand: Elektrizität durch Induktion 29
Praktikum: Ein Elektromotor - selbst gebaut 30
Pinnwand: Kleine und große Elektromotoren 31
4.8 Ein Generator - drei Stromkreise 32
4.9 Drei Ströme - vier Leitungen 33
4.10 Eine besondere Maschine - der Drehstrommotor 34
Streifzug: Der Synchronmotor 35

5 Spannung verändern 36
5.1 Zwei Spulen und ein Eisenkern 36
5.2 Spannungs- und Stromstärkenübersetzung 37
5.3 Hochstrom- und Hochspannungstransformator 38
Pinnwand: Anwendungen zum Trafo 39

Auf einen Blick 40
Prüfe dein Wissen 41


Versorgung mit elektrischer Energie

1 Kraftwerke sind Energiewandler 42
1.1 Verschiedene Kraftwerkstypen 43
1.2 Das Wärmekraftwerk 44
Streifzug:Turbinen 46
Projekt: Wind und Wärme treiben Maschinen an 47
1.3 Kraftwerke im Vergleich 48
1.4 Energieübertragung vom Kraftwerk zur Steckdose 50
1.5 Der Aufbau des Verbundnetzes der Bundesrepublik Deutschland 52
1.6 Verteilung des Energiebedarfs über einen Tag 53
Projekt: Einwirkung elektrischer und magnetischer Felder auf Lebewesen 54

2 Erneuerbare Energiequellen 56
2.1 Fotovoltaik 56
2.2 Der Sonnenkollektor 58
Praktikum: Bau eines Sonnenkollektors 59
2.3 Wind ist Energie 60
Streifzug: Pro und contra Windkraftanlagen 61
2.4 Die Brennstoffzelle 62
Streifzug: Funktionsweise einer Brennstoffzelle 63

3 Umwandlung elektrischer Energie 64
3.1 Energieumwandlung und Wärme 64
Streifzug: Optimierung der Energienutzung 65
Projekt: Verantwortungsvolle Energienutzer 66

Auf einen Blick 68
Prüfe dein Wissen 69


Daten

1 Was sind Daten? 70
1.1 Daten und ihre Codierung 71
1.2 Decodieren von Daten 72
Pinnwand: Codieren - Decodieren 73
Streifzug: Ein Stein war der Schlüssel 74
1.3 Analoge und digitale Daten 75
Pinnwand: Datenspeicher 76
Streifzug: Von Zuse zum Handy 77

2 Datenwandler 78
2.1 Rezeptoren und Sensoren 78
2.2 Datenübertragung mit Licht 79
2.3 Datenübertragung mit Schall 80
Pinnwand: Datenübertragung mit Schall und Licht 81
Pinnwand: Sensoren in der Messtechnik 82
Streifzug: Prothesen mit Sensoren 83

3 Elektronische Datenwandler 84
3.1 Dioden 84
Streifzug: Vom Halbleiter zur Diode 86
Streifzug:Vorgänge in der Diode 87
Pinnwand: Dioden im Einsatz 87
3.2 Der Transistor 88
3.3 Schwellenspannung des Transistors 89
3.4 Arbeitspunkt des Transistors 90
Streifzug: Vorgänge im Transistor 91
Streifzug: Vom Sand zum Transistor 92
Projekt: Bau eines einfachen Hörfunk-Empfängers 94
3.5 Messen der Geschwindigkeit von Schall und Licht 96
3.6 Datenübertragung mit Rundfunk und Fernsehen 97
Streifzug: Datenübermittlung - früher und heute 98
Pinnwand: Verschiedene Datenspeicher 100

4 Steuern und Regeln 102
4.1 Steuerketten 102
4.2 Regelkreise 103
Praktikum: Regelkreise im Einsatz 104
Streifzug: Die Regelung des Blutzuckerspiegels 105

5 Programme verarbeiten Informationen 106
5.1 Informationen in der Technik 106
Streifzug: Elektronische Bauteile 107
5.2 Logik in der Technik 108
5.3 Computer rechnen im Binärsystem 110
5.4 Logische Schaltungen 111
Praktikum: 0 oder I - das Flip-Flop zum Speichern 112
Streifzug: Computerschrott 113

Auf einen Blick 114
Prüfe dein Wissen 115


Wärme ist Energie

1 Körper und ihre innere Energie 116
1.1 Innere Energie und Temperatur 117
1.2 Änderung der inneren Energie im Teilchenmodell 118
Streifzug: Brownsche Molekularbewegung 119

2 Wärmemessung 120
2.1 Wärme lässt sich messen 120
2.2 Spezifische Wärmekapazität 121
2.3 Mischtemperatur 122
2.4 Körper speichern Wärme 123
Streifzug: Heizwert und Umweltaspekte 124
Pinnwand: Energievergleich 125

3 Zustandsänderungsenergie 126
3.1 Schmelzen und Erstarren 126
3.2 Schmelzwärme und Erstarrungswärme 127
Pinnwand: Rund ums Eis 128
3.3 Verdampfen und Kondensieren 129

4 Zustandsänderungen bei unterschiedlichem Druck 130
4.1 Der Luftdruck 130
4.2 Sieden bei Über- oder Unterdruck 131
Streifzug: Durch Druck zur gewünschten Siedetemperatur 132
4.3 Verdunsten 133

5 Verbrennungsmotoren 134
5.1 In 4 Takten über die Straßen 134
5.2 Zweitaktmotor und Dieselmotor 135
5.3 Verbrennungsmotoren als Energiewandler und ihre Umweltbelastung 136
Streifzug: Von der Dampfmaschine zum Otto-Motor 137
5.4 Der Kühlschrank 138
5.5 Einsatz von Wärmepumpen 139

Auf einen Blick 140
Prüfe dein Wissen 141


Bewegte Körper und ihre Energie

1 Geschwindigkeit und Beschleunigung 142
1.1 Im Moment schneller oder langsamer als im Durchschnitt 143
Streifzug: Geschwindigkeitskontrollen 144
Streifzug: Fahrradcomputer und Fahrtschreiber 145
1.2 Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung 146
1.3 Verzögerte, Bewegung 148
Streifzug: Faustregeln im Straßenverkehr 149
1.4 Der freie Fall 150
1.5 Der freie Fall - mathematisch 151
Streifzug: Fallschirmspringen 152
Streifzug: Parabelflug 152
Streifzug: Galileo Galilei 153

2 Kraft und Bewegung 154
2.1 Kraft, Masse, Trägheit 1 54
2.2 Kraft und Beschleunigung 155
2.3 Newtons Gesetze der Mechanik - überall 156
Streifzug: Sir Isaac Newton 157

3 Bewegung und Energie 158
3.1 Mechanische Energieformen und ihre Umwandlung 158
3.2 Berechnung der potentiellen Energie 160
3.3 Berechnung der kinetischen Energie 161
3.4 Die Energieerhaltung 162
Pinnwand: Energieerhaltung im Alltag 163
Streifzug: Sicherheitssysteme 164
Pinnwand: Bremssysteme 165

4 Kreisbewegungen 166
4.1 Mit Kraft in die Kurve 166
4.2 Kreisbewegung - mathematisch 167
Streifzug: Die Zentralkraft im Einsatz 168
Streifzug: Die Gravitation 169
Streifzug: Satelliten und Raumstationen 170

Auf einen Blick 172
Prüfe dein Wissen 173


Licht und Farbe

1 Bilder sehen und festhalten 174
1.1 Reflexion und Brechung des Lichtes 175
1.2 Bilder einer Sammellinse 176
1.3 Besondere Abbildungen an Linsen 177
Pinnwand: Verzeichnungsfehler bei Linsen 178
1.4 Linsenkombinationen 179
1.5 Formeln beschreiben die Abbildung180
Streifzug: Vergrößerung bei optischen Geräten 181

2 Farben 182
2.1 Ein Prisma erzeugt Farben 182
2.2 Spektralfarben 183
Streifzug: Photonen und Farbe 183
Streifzug: Farbfehler von Linsen 184
Pinnwand: Infrarot-Ultraviolett 185
Streifzug: Infrarot zeichnet Bilder und wärmt 186
Streifzug: Licht spenden sie alle 187

3 Farbmischungen 188
3.1 Farbsubtraktion 188
3.2 Farbaddition 189
Streifzug: Farben in der Malerei 190
Praktikum: Regenbogen - künstlich erzeugt 191

Auf einen Blick 192
Prüfe dein Wissen 193


Radioaktivität und Kernenergie

1 Eine geheimnisvolle Strahlung 194
1.1 Natürliche radioaktive Strahlung 195
1.2 Messung radioaktiver Strahlung 196
Streifzug: Marie Curie 197
1.3 Ein merkwürdiges Knacken 198
Pinnwand: Geräte zur Anzeige radioaktiver Strahlung 199

2 Atome 200
2.1 Atomkern und Atomhülle 200
2.2 Radioaktiver Zerfall 202
2.3 Eigenschaften radioaktiver Strahlung 203
2.4 Die physikalische Halbwertszeit 204
2.5 Die biologische Halbwertszeit 205
Streifzug: Energiedosis und Äquivalenzdosis 205
Streifzug: Natürliche Radioaktivität - ein ständiger Wegbegleiter 206
Streifzug: Altersbestimmung mithilfe radioaktiver Nuklide 207
Streifzug: Strahlen schädigen 208
2.6 Somatische und genetische Schäden 209
Streifzug: Belastungspfade 210
Streifzug: Strahlen nutzen 211

3 Wärme ohne Feuer 212
3.1 Atome lassen sich spalten212
3.2 Energie aus der Kernspaltung 213
Streifzug: Ein neuer Stoff entsteht 213
3.3 Das Kernkraftwerk 214
3.4 Sicherheitssysteme im Kernkraftwerk 216
Streifzug: Ein Unglück verändert die Welt 217
3.5 Radioaktiver Abfall 218
Streifzug: Vergleich Kernkraftwerk - Kohlekraftwerk 219
Streifzug: Kernfusion 220

Auf einen Blick 221
Prüfe dein Wissen 221


Wetter
Projekt: Klima und Wetter 222


Anhang

Lösungen für "Prüfe dein Wissen" 230

Stichwortverzeichnis 236

Bildquellenverzeichnis 240

Das Periodensystem der Elemente 241

Nuklidkarte 242