Die elektrische Arbeit

Die elektrische Arbeit

Die elektrische Arbeit wird hier anhand eines Solarmodells demonstriert!

Versuchsbeschreibung:

Eine künstliche Lichtquelle in Form eines 500 Watt Baustrahlers, welche die natürliche Lichtquelle (Sonne) aufgrund ihrer kontinuierlich gleichen Lichtabstrahlung hier vorgezogen wird, wirft Lichtquanten auf Solarzellen.

An der Sperrschicht der Solarzellen (=Photoelemente) entsteht eine Spannung, welche die Solarzellen zu einer Spannungsquelle machen. Diese Spannungsquelle treibt einen kleinen Motor an, der ein Gewicht von 100 Gramm heben und senken kann. Um Meßgrößen des Versuchsaufbaus zu erhalten müssen noch ein Voltmeter und ein Amperemeter angeschlossen werden. Das Voltmeter wird parallel zu der Spannungsquelle angeschlossen, und das Amperemeter wird zwischen der Spannungsquelle und dem Motor in Reihe geschaltet. Zusätzlich muß noch eine Stoppuhr bereitgehalten werden, um eine Zeit von 15 Sekunden messen zu können, damit die elektrische Arbeit genau berechnet werden kann. Nun können die beiden Messgeräte abgelesen werden. Auf dem Voltmeter wird eine Spannung von 15 Volt, und auf dem Amperemeter eine Stromstärke von 30 Milliampere gemessen. Nachdem der Versuchsaufbau 15 Sekunden in Betrieb war, kann die elektrische Arbeit anhand des Ohmschen Gesetzes ausgerechnet werden:

Schaltplan des Versuchsaufbaus

Solarzellen:

Solarzellen sind Photoelemente (früher auch Sperrschichtphotozellen genannt). An der Sperrschicht (z.B. Seelen, Silicium, Germanium oder andere Halbleiter), die auf ein Trägermetall wie z.B. Eisen oder Platin aufgedampft ist und worüber sich noch eine lichtdurchlässige Schicht aus beispielsweise Platin befindet, entsteht durch einfallen von Lichtquanten eine Spannung (=Photoeffekt) von einigen Zehntel Volt. Die entstehende Spannung resultiert aus dem Verhalten des Sperrschichtmaterials bei aufprallen eines Lichtquanten. Dieses wird von dem Sperrschichtmaterial "verschluckt" und setzt dort Elektronen frei. Hier findet somit eine Umwandlung von Energieformen statt (Lichtenergie in elektrische Energie, welche wiederum in mechanische Energie, Wärmeenergie oder Lichtenergie umgewandelt werden kann). Man könnte somit eine Solarzelle als Spannungsquelle bezeichnen und auch genauso nutzen.

Aufbau einer kristallinen Zelle

Spannungsquellen:

Spannungsquellen haben eine Ladungstrennung. Die Ladungen haben nach Anschluß eines Verbrauchers (z.B. eine Lampe oder einem Motor) die Möglichkeit, sich auszugleichen. Dieses nennt man Stromfluß (Ampere, I). Die Größe der Ladungstrennung nennt man Spannung (Volt, U) die immer, wenn es eine Ladungstrennung gibt, existent ist. Der Stromfluß wird durch den Widerstand (Ohm, R) des Verbrauchers begrenzt.

Elektrische Arbeit:

Die elektrische Energie, die sich aus dem elektrischen Strom und der Spannung berechnen läßt, kann Arbeit verrichten (Lampen leuchten, Fahrstühle heben lasten, Wasser wird erwärmt).

Die elektrische Energie kann in kinetische Energie, Wärme und Lichtenergieumgewandelt werden. Spannung ist gleich Arbeit durch Ladung U=W/Q. Stellt man diese Formel nach W um, erhält man für die Arbeit in der Spannungsquelle W=Q*U.   Q setzt sich aus I*t (Stromstärke * Zeit) zusammen. Also kann man sagen, die elektrische Arbeit ist das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit: W=U*I*t (W=Arbeit / VAs, U=Spannung / V, I=Stromstärke / A, t=Zeit / s)

1 J (Joule) ist identisch mit 1 VAs (Voltampere pro Sekunde) und wird als Einheit für die elektrische Arbeit benutzt.

Die elektrische Arbeit ist proportional zu der Zeit t, was heißen soll, daß je mehr Arbeit verrichtet wird, desto weniger Zeit wird benötigt. Desweiteren ist die elektrische Arbeit proportional der Stromstärke und der Spannung, denn wenn mehr Arbeit in der gleichen Zeit geleistet werden soll, muß entweder die Stromstärke oder die Spannung erhöht werden (beides größer geht auch).

Das heißt bei mehr elektrischer Arbeit pro Sekunde wird weniger Zeit benötigt, es muß dafür aber ein höheres Spannungspotential erreicht werden und die Stromstärke wird somit automatisch zunehmen. Dieses kann auch an folgender Skitze nachvollzogen werden, in der es darum geht, bei verschiedenen Spannungen das im Sieder enthaltene Wasser um 5s Celsius in verschiedenen Zeiten zu erwärmen.