Archiv der Kategorie: Technik

Wie funktioniert eine LED?

Sie sind heutzutage nicht mehr weg zu denken – LEDs. LED steht für „light emitting diode“ und ist eine Diode, also ein elektrisches Bauteil, das Licht aussendet, wenn es von Strom durchflossen wird. Sie finden in allen Lebensbereichen ihren Einsatz und sind immer mehr dabei herkömmliche Leuchtmittel, wie Glühbirnen zu verdrängen. Aber wie funktioniert eine LED eigentlich und was macht sie besser als eine Glühbirne?

Eine LED besteht aus einem sogenannten Halbleitermaterial. Solche Halbleiter haben die Eigenschaft, dass sie aus einer Seite mit einem Elektronenüberschuss und einer Seite mit einem Elektronenmangel bestehen. Fließt nun Strom durch die Diode, können die Elektronen aus der Überschussseite in die Mangelseite übergehen. Bei diesem Übergang gehen die Elektronen in einen energieärmeren Zustand über. Die Differenz von höherem Energiezustand zum Niedrigeren wird bei diesem Vorgang als Licht abgegeben. Dieses Licht hat eine ganz bestimmte Wellenlänge, die vom verwendeten Material abhängig ist. Je höher der Energieunterschied, desto geringer ist die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts. Kleine Wellenlängen bedeuten bläuliches Licht bis hin zu ultraviolett, langwelliges Licht hingegen ist rot. Über das in der LED verwendete Halbleitermaterial kann somit die Farbe des Lichts eingestellt werden. Für weiße LEDs müssen viele verschiedene Wellenlängen überlagert werden. Je kontinuierlicher das Spektrum des Lichts ist, also je mehr Wellenlängenbereiche vorhanden sind, desto „wärmer“ wird das weiße Licht und desto angenehmer empfinden wir es.

LEDs sind deutlich effizienter als herkömmliche Glühbirnen. Das liegt daran, dass bei LEDs der größte Teil des Stroms tatsächlich in Licht umgewandelt wird. Bei einer Glühbirne wird ein Großteil einfach in Wärme umgewandelt. Das merkt man sehr schnell wenn man eine Glühbirne anfasst, die eine Zeit lang in Betrieb war. Außerdem haben LEDs in der Regel mit bis zu 100.000 Betriebsstunden eine deutlich höhere Lebenserwartung als Glühbirnen. Aus diesen Gründen sind LEDs immer mehr dabei in allen Bereiche des alltäglichen Lebens Einzug zu erhalten und werden auch weiterhin durch voranschreitende Entwicklung den Leuchtstoffmarkt erobern.

Quellen:

https://www.simplyscience.ch/teens-liesnach-archiv/articles/was-ist-eine-leuchtdiode.html

https://www.simplyscience.ch/energie-umwelt/articles/die-led-eine-clevere-technologie.html?_locale=de

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Wie funktioniert die 3D- Technik im Kino und Fernsehen?

Mittlerweile wird ein Großteil der neuen Kinofilme auch in 3D gezeigt.

Aber wie funktioniert eigentlich diese 3D- Technik? Und warum braucht man dafür immer eine spezielle Brille?

Dass wir mit unseren Augen überhaupt dreidimensional sehen können, liegt daran, dass unsere Augen jeweils unterschiedliche Bilder aufnehmen und an das Gehirn weiterleiten. Durch den Abstand der Augen sind die beiden, von den Augen wahrgenommenen, Bilder nicht identisch. Man könnte sagen jedes Auge nimmt die Situation aus einer anderen Perspektive auf. Unser Gehirn ist dann in der Lage aus diesen beiden Perspektiven ein dreidimensionales Bild zu generieren.

Dieses Prinzip nutzt man bei der 3D- Technik im Kino oder am Fernseher aus. Der Film muss schon mit speziellen Kameras gefilmt werden. Diese Kameras haben, ähnlich wie unsere zwei Augen, zwei Linsen in einem Abstand, der in etwa dem unserer Augen entspricht. Der Film wird also aus zwei verschiedenen Perspektiven aufgenommen. Das sieht man auch, wenn man sich einen 3D Film ohne Brille anschaut. Man sieht alles stark verschwommen oder sogar doppelt.

Aber wie schafft es jetzt eine Brille diese beiden Perspektiven wieder zu Einer verschmelzen zu lassen?

Hier wird eine Eigenschaft des Lichts ausgenutzt. Licht lässt sich so manipulieren, das es durch einen bestimmten Filter durchkommt oder eben nicht. Man nennt das polarisieren. Licht kann beispielsweise so polarisiert werden, das es nur noch aus senkrechten Komponenten besteht, das heißt, dass die Wellen des Lichts alle senkrecht verlaufen. Genauso ist auch eine waagerechte Polarisierung möglich. Jetzt gibt es Filter, die so konzipiert sind, dass sie nur senkrechtes oder eben auch nur waagerechtes Licht durchlassen. Diese Filter sind die „Gläser“ der 3D- Brille. Durch eines der Gläser gelangt nur das senkrecht polarisierte Licht, durch das Andere das waagerecht polarisierte. Wenn man nun die beiden aufgenommenen Perspektiven jeweils richtig polarisiert, sieht das eine Auge durch die Brille das eine Bild und das andere Auge das zweite. Den Rest übernimmt dann wieder unser Gehirn und baut die beiden Bilder zu Einem dreidimensionalen zusammen.

Jetzt könnt ihr beim nächsten Kinobesuch eurem Nachbar mal ganz souverän erklären, wie das denn eigentlich funktioniert mit der 3D-Technik 😉

Warum ist Diesel eigentlich billiger als Benzin?

Im Moment sind Kraftstoffe billig wie noch nie. Das liegt vor allem an der Ölpolitik der ölfördernden Staaten. Es wird tatsächlich mehr Öl gefördert als momentan weltweit benötigt wird. Das lässt den Ölpreis, und somit auch die Kraftstoffpreise, drastisch sinken.

In diesem Artikel will ich aber mal darauf eingehen, warum Diesel eigentlich billiger ist als Benzin.

Tatsächlich ist Diesel nämlich in der Produktion teurer. Er kann bei der Rohöldestillation auf Grund seiner langkettigen Kohlenwasserstoffe zu einem späteren Zeitpunkt abgezapft werden. Es ist also ein höherer Aufwand notwendig als für die Gewinnung von Benzin.

Was nun den Preis an der Tankstelle bestimmt, sind natürlich zum Einen die Produktions- und Transportkosten, zum Anderen aber auch noch Aufschläge wie zum Beispiel Steuern. Und hier kommt der große Unterschied von Diesel und Benzin ins Spiel. Die Mineralölsteuer oder Energiesteuer, wie sie mittlerweile EU weit heißt, behandelt nicht alle Kraftstoffe gleich. Diesel ist hier deutlich geringer zu versteuern als Benzin. Die nachträglich noch aufgerechnete Mehrwertsteuer von 19% erhöht diese Differenz noch ein Mal.

So kommt es also, das Diesel obwohl er einen höheren Grundpreis im Einkauf hat, an der Tankstelle zwischen 10 und 30 Cent billiger angeboten wird als Benzin.

Was kostet eigentlich der Strom für meine Lichterkette?

Alle schmücken gerade wieder ihren Weihnachtsbaum oder dekorieren Balkon und Garten mit sämtlichen Lichterketten. Man hört oft, dass die Lichterketten ja so viel Strom verbrauchen.

Aber wie viel Strom ist das denn wirklich? Und was kostet mich das dann?

Natürlich hängt das von der Art, der Länge und der Größe der Birnen einer Lichterkette ab. Ich werde versuchen hier mal einen allgemeinen Überblick zu verschaffen was die entsprechende Kette an Strom kostet.

Normale nicht-LED Lichterkette:

Angenommen die Kette besteht aus 100 Lämpchen. Jedes dieser Lämpchen weist eine Leistung von 0,3 Watt auf (dieser Wert kann natürlich stark variieren). Die Gesamte Kette hat also eine Leistung von 30 Watt. Sagen wir mal die Kette brennt im Dezember, Januar und Februar jeden Tag von 16:00 bis 22:00 Uhr, also 6 Stunden. Die gesamte Brenndauer beträgt dann

(31+31+28) Tage  x  6 Stunden  =  540 Stunden

Die Leistung der Kette bleibt ja konstant bei 30 Watt, das heißt die in der gesamten Zeit verbrauchte Energie ergibt sich zu

540 Stunden  x  30 Watt  =  16200 Wattstunden (Wh)

Die Abrechnung des Stroms erfolgt immer in Kilowattstunden (kWh). Eine kWh entspricht 1000 Wh. D.h. der Energieverbrauch liegt bei 16,2 kWh.

Natürlich variiert auch der Preis für eine kWh. Um einfacher rechnen zu können nehme ich mal eine Preis von 30Cent/kWh an, was dem tatsächlichen Wert im Moment sehr nahe kommt. Die Gesamtkosten für den Betrieb der Kette errechnen sich also wie folgt:

16,2 kWh  x  30 Cent/kWh  =  486 Cent  =  4,86€

Normale LED-Lichterkette:

LED-Lichterketten sind deutlich sparsamer als die Ketten mit herkömmlichen Lämpchen. Die LED Technik verbraucht in etwa nur ein Zehntel an Strom im Vergleich zu Glühlampen. Folglich hat ein einzelnes LED-Lämpchen etwa eine Leistung von 0,03 Watt.

Der Gesamtenergieverbrauch einer vergleichbaren Lichterkette wäre somit auch um den Faktor 10 kleiner bei ca. 1,62 kWh. Die Kosten liegen damit bei nur knapp 50 Cent.

Für den Dauerbetrieb einer großen Anzahl an Lichterketten lohnt sich also durchaus der Umstieg auf LED Lichterketten, auch wenn diese noch etwas teurer in der Anschaffung sind.

Die Betriebskosten einer LED-Lichterkette sind also tatsächlich nicht mehr sehr hoch. Trotzdem sollte man die Ketten nur zu sinnvollen Zeiten brennen lassen und gegebenenfalls eine Zeitschaltuhr verwenden um unnötigen Stromverbrauch zu vermeiden.

Wer den genauen Stromverbrauch und die damit verbundenen Kosten seiner Lichterkette berechnen möchte, schaut am besten mal auf die Verpackung. Hier sollte eine Watt Angabe für die gesamte Kette stehen. Diese dann mit der ungefähren Brenndauer multiplizieren. Den hierbei erhaltenen Energiebedarf dann noch mit dem in der Stromrechnung aufgeführten Preis für eine kWh multiplizieren (auf Einheitenumrechnung von Wh auf kWh achten) und man erhält die Kosten für den Betrieb der Lichterkette.

Benzin/ Diesel – Die Unterschiede der Motoren

In dem Beitrag über die Unterschiede der beiden Kraftstoffe Benzin und Diesel ( https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/05/05/benzin-diesel-wo-liegt-denn-da-der-unterschied/ ) habe ich bereits angekündigt auch einen Beitrag zur Funktionsweise der beiden Motorenarten zu verfassen. Dass sie unterschiedlich funktionieren merkt man bereits daran, dass ein Benzinauto nicht mit Diesel gefahren werden kann und anders herum.

Nun zu den technischen Unterschieden. Sowohl im Ottomotor (Benzin) also auch im Dieselmotor gibt es vier Takte, die einen Bewegungszyklus des Motors darstellen. Daher auch der Name „Vier- Takt- Motor„. Was sich im Motor eigentlich bewegt, sind die Kolben in den Zylindern.

otto_FSI_GDI

Der schwarze Rahmen ist der Zylinder. Der dunkel graue Block, der über eine Halterung an einem drehbaren Bauteil (im Auto die Kurbelwelle) befestigt ist, ist der Kolben. Dieser kann sich, mit Rotation der hell grauen Scheibe, hoch und runter bewegen.

Der erste Takt im Motor, das „Ansaugen„, birgt schon den ersten Unterschied. Im Benzinmotor wird ein Gemisch aus Luft und fein zerstäubtem Benzin in den Zylinder angesaugt. Der Kolben bewegt sich hierbei nach unten, wodurch ein Sog entsteht. Das tut der Kolben beim Dieselmotor auch, jedoch wird hier reine Luft angesaugt und der Kraftstoff kommt erst später dazu.

Der nächste Schritt ist die „Verdichtung„. Wenn der Kolben sich nun wieder nach oben bewegt, komprimiert er das vorher eingesaugt Luft- Kraftstoff- Gemisch (Benzin) bzw. die Luft (Diesel). Die Ventile, die in der Graphik blau dargestellt sind, sind geschlossen und somit wird das Gemisch verdichtet. Beim Dieselmotor ist die Verdichtung deutlich höher. Die angesaugte Luft wird also deutlich mehr zusammen gedrückt, als beim Benzinmotor – Unterschied Nummer zwei. Der Diesel, der bis jetzt in den Prozess noch gar nicht involviert war, wird nun in die stark verdichtete Luft eingespritzt. Und zwar über eine Düse, die den Kraftstoff sehr fein zerstäubt.

Die „Zündung“ – dritter Takt / Arbeitstakt: Der Benzinmotor benötigt hierfür eine Zündkerze, die einen Funken erzeugt. Dieser Funke entzündet das komprimierte Benzin- Luft- Gemisch, wodurch eine kleine Explosion entsteht. Beim Dieselmotor wird keine Zündkerze benötigt, da die noch stärker verdichtete Luft so heiß ist, dass sich der nun eingespritzte Diesel von selber entzündet. Es gibt also auch hier eine kleine Explosion. Die Explosion drückt jeweils den Kolben wieder nach unten. In dem Moment wird die Kurbelwelle im Auto angetrieben und somit Arbeit verrichtet, daher der Name Arbeitstakt.

Der letzte Takt, das „Auspuffen„, bezeichnet den Vorgang, bei dem die verbrannten Gase durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens ausgetrieben werden. Dieser Teil ist bei beiden Motoren gleich, auch wenn die Zusammensetzung der Abgase unterschiedlich ist. Beim Dieselauto entsteht mehr CO2 und Rußpartikel, welche krebserregend sind. Im Benzinmotor entstehen dafür gesundheits- und klimaschädliche Stickoxide.

Man sieht, es gibt einige Unterschiede aus technischer Sicht und beide Motorbauarten haben ihre Vor- und Nachteile. Deshalb werden auch immer noch beide Modelle gebaut.

Benzin / Diesel – Wo liegt denn da der Unterschied?

Die Auswahl der Tankstellen wird immer größer. Immer neue „Superkraftstoffe“ erweitern das Angebot weiter und weiter. Der Hauptunterschied beim Tanken liegt aber immer noch zwischen Benzin und Diesel. Hier sollte man sich beim Tanken auch nicht vertun, denn im schlimmsten Fall kann man damit den Motor seines Autos zerstören. Doch worin liegen eigentlich die Unterschiede zwischen Benzin und Diesel?

Zuerst einmal gibt es einen deutlichen Unterschied aus chemischer Sicht. Benzin und Diesel werden zwar beide aus Erdöl gewonnen, jedoch ist deren Zusammensetzung unterschiedlich. In der Raffinerie, in der das Erdöl verarbeitet wird, entstehen im Prozess unterschiedliche Fraktionen, die separat abgetrennt werden können. Benzin entsteht als erstes, da es sich aus relativ kleinen Molekülen zusammensetzt. Die größeren Moleküle des Diesels können erst später abgezogen werden. Der chemische Hauptunterschied ist also die Größe der Kohlenwasserstoffketten. Kohlenwasserstoffe sind Stoffe, die aus Kohlenstoff ( C ) und Wasserstoff ( H ) bestehen. Die C- Atome sind die, die durch die Verbrennung Wärme erzeugen, die im Motor später in Bewegungsenergie umgewandelt werden können. Da die größeren Moleküle des Diesels mehr C-Atome enthalten, kann bei der Verbrennung im Motor auch mehr Energie gewonnen werden. Damit wären wir schon beim zweiten chemischen Unterschied: Die Energiedichte bzw. Effizienz. Dieselkraftstoff ist effizienter als Benzin – Es entsteht mehr Wärmeenergie bei der Verbrennung im Motor. Das ist auch der Grund warum Dieselfahrzeuge im Allgemeinen einen geringeren Verbrauch pro 100km haben. Andererseits entsteht bei der Verbrennung auch pro Kohlenstoffatom ein Kohlenstoffdioxid Molekül ( CO2 ), was wiederum schädlich für die Umwelt ist.

Jede der beiden Kraftstoffarten hat also seine Vor- und Nachteile. Diesel ist effizienter, dafür aber schädlicher. Benzinmotoren verbrauchen bei gleicher Leistung etwas mehr, sind jedoch auch ein wenig umweltfreundlicher. Hierbei sei allerdings erwähnt, dass Benzinmotoren andere umweltschädliche Gase produzieren. Die Umweltbilanz könnte also fast ausgeglichen sein.

Die Funktionsweise der Motoren ist im Übrigen auch unterschiedlich. Darauf möchte ich hier aber nicht eingehen. Siehe hierfür:

https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/05/11/benzin-diesel-die-unterschiede-der-motoren/

Warum haben Windräder immer genau drei Flügel?

Viel kritisiert aber doch immer mehr gebaut – Windräder oder, wie die offizielle Bezeichnung ist, Windkraftanlagen – sieht man immer häufiger, nicht nur in Deutschland. Ob auf erhöhten Landstrichen oder auch auf offener See, überall ragen sie in den Himmel. Jeder kann sie sich sofort vorstellen mit ihren drei riesigen Flügeln. Doch warum sind das denn eigentlich drei Flügel? Warum sind es nicht mehr oder vielleicht auch weniger?

In die Entscheidung, eine Windkraftanlage mit drei Flügeln jeweils um 120° versetzt zu bauen, fließen viele Faktoren ein. Grundsätzlich gilt nämlich eigentlich, je mehr Flügel, desto mehr Angriffsfläche für den Wind und desto mehr umgewandelte Energie. „Umgewandelt“ deswegen, da die Bewegungsenergie des Windes, der die Rotorblätter antreibt, mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie übergeführt wird. Der Begriff „Energieerzeugung“ ist somit eigentlich nicht richtig. Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sie wird nur von einer Form (Bewegung des Windes) in eine für uns nutzbare (Elektrizität) umgewandelt.

Doch zurück zur Anzahl der Rotorblätter. Mit jedem zusätzlichen Flügel eines Windrades steigt theoretisch die vom Wind aufgenommene Energie. Warum also nicht vier, fünf oder noch mehr Flügel an eine Windkraftanlage bauen?

Erstens steigt die aufgenommen Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleich. Je mehr Flügel ein Windrad hat, desto weniger hat der Wind die Möglichkeit, durch die Rotorblätter durch zu strömen. Ein Teil des Windes soll natürlich direkt auf die Fläche der Flügel treffen, ein Teil muss aber auch hindurch strömen können, um den Windfluss aufrecht zu erhalten. Nehmen wir mal das Extrembeispiel an. An ein Windrad werden so viele Flügel montiert, dass eine komplette Scheibe entsteht. Die Angriffsfläche für den Wind wird somit maximal, jedoch gibt es keine Möglichkeit mehr zwischen den Rotorblättern hindurch zu strömen. Der Wind trifft also auf die Scheibe und staut sich davor auf. Eine Art Wand entsteht, die den nachfolgenden Wind davon abhält, überhaupt erst zu dem Windrad zu gelangen. Der Windfluss ist dadurch komplett zum Erliegen gekommen. Natürlich ist das ein Extrembeispiel, doch der gleiche Effekt tritt auch schon bei einer geringeren Anzahl an Flügeln auf. Aus diesem Grund steigt die Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleichermaßen an. Ein viertes Rotorblatt bringt vielleicht noch 10% Steigerung, ein fünftes dann schon nur noch 7% und so weiter.

Ein weiterer Grund hierfür ist, dass ein Flügel ein ordentliches Gewicht mit sich bringt. Je mehr Flügel, desto schwerer wird also der Teil der Anlage, der sich nachher drehen soll. Das physikalische Gesetz der Trägheit besagt, dass man für eine größere Masse eine größere Kraft benötigt, um diese in Bewegung zu bringen. Folglich wird sich ein schwerer Rotor langsamer drehen, als ein leichterer. Langsamere Drehung bedeutet wiederum geringere Leistung.

Ein zusätzlicher Faktor, der immer in die Konstruktion von Maschinen und Apparaten einfließt, sind die Kosten. Die Windkraftanlage muss sich finanziell rentieren. Da jedes weitere Rotorblatt zusätzliche Kosten hervorruft, sowohl bei der Anschaffung, also auch bei der Instandhaltung, ist es aus wirtschaftlicher Sicht nicht mehr rentabel, einen vierten Flügel anzubringen, auch wenn dieser die Leistung des Windrades noch weiter steigern würde.

Das ist aber nicht der einzige Grund, warum man sich für drei Flügel entschieden hat. Bei einer geraden Anzahl an Flügeln, z.B. vier, stehen sich immer zwei Flügel direkt gegenüber, das heißt wenn einer der Flügel ganz unten ist, ist einer auch ganz oben. Wenn ein Rotorblatt ganz unten ankommt, muss es zwangsläufig den Mast der Anlage passieren. Vor dem Mast tritt allerdings genau das Phänomen ein, das ich oben bereits erklärt habe. Der Windfluss ist an dieser Stelle zu einem bestimmten Teil unterbrochen. Während der Flügel also den Mast passiert, wirkt eine geringere Kraft auf ihn, als an anderen Stellen der Kreisbewegung. Das Rotorblatt, das dem Unteren gegenüber steht, also ganz oben, erfährt allerdings die volle Kraft des Windes. Jetzt kann man sich diese beiden Flügel wie einen Balken vorstellen, der in der Mitte befestigt ist. Auf die obere Seite wirkt eine stärkere Kraft, als auf die Untere. Was passiert also? Der Balken versucht zu kippen. Oben nach hinten und unten folglich nach vorne. Natürlich würden die Flügel nicht wirklich kippen, aber die Aufhängung der Flügel muss diese Kräfte aushalten, was zu einem deutlich schnelleren Verschleiß führen würde. Außerdem kann das Windrad dann nicht mehr gleichmäßig im Kreis laufen, was auch für die gesamte Anlage eine massive Belastung darstellt.

Ein letzter, allerdings nicht ganz so schwerwiegender Punkt ist die Tatsache, dass jedes Rotorblatt Geräusche erzeugt, wenn es sich dreht. Ein Windrad mit vier Flügeln würde dadurch mehr Lärm erzeugen, als eines mit drei und müsste somit auch mit mehr Abstand zu Behausungen gebaut werden.

Man sieht es gibt viele Kriterien, die bei dem Bau einer Windkraftanlage beachtet werden müssen und all diese haben letztendlich dazu beigetragen, dass wir all unsere Windräder mit exakt drei Flügeln sehen.