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| − | ==Eigenschaften von schwerer, elektrischer und magnetischer Wechselwirkung== | + | ==Aufgaben zu Energieverlust und Wirkungsgrad== |
| − | [[Datei:Wechselwirkung_Fernwirkung.png|thumb]]
| + | '''1)''' "Ein Automotor hat einen Wirkungsgrad von ca. <math>1/3 \approx 33 \%</math>." |
| − | [[Datei:Wechselwirkung_Wechselwirkung.png|thumb]]
| + | :Was ist damit gemeint? |
| − | ====Drei verschiedene Wechselwirkungen====
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| − | Zwei Gegenstände können eine Wechselwirkung aufeinander ausüben.
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| − | Aus einer mechanischen Sichtweise heraus heißt das, dass sie aufeinander [[Kraft_und_Impuls|Kräfte ausüben und Impuls austauschen]]. Ein Gegenstand verliert Impuls, der andere Gegenstand erhält den Impuls.
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| − | Offensichtlich besteht eine Wechselwirkung zwischen jeweils passenden ähnlichen Eigenschaften von Gegenständen. Es gibt drei verschiedene physikalische Eigenschaften, die Wechselwirkungen hervorrufen<ref>Außerdem gibt es noch die starke und die schwache Wechselwirkung. Meistens wird die elektro-magnetische WW nur als eine WW gezählt, dann sind es 4 WW. Die starke WW ist unter anderem dafür verantwortlich, dass die Atomkerne zusammenhalten. Die schwache WW ist beim radioaktiven Zerfall von Bedeutung.</ref>.
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| − | '''1)''' Die (schwere) Masse (<math>m</math> in Kilogramm, <math>\rm kg</math>) | + | '''2)''' In diesem Energieflussdiagramm ist der Weg der Energie bei einem Kohlekraftwerk dargestellt. |
| − | :Alle Gegenstände mit einer (schweren) Masse , werden gegenseitig angezogen. ("Schwere Masse ist homosexuell." ;)
| + | :'''a)''' Wie geht die meiste Energie der Kohle "verloren"? |
| − | | + | :'''b)''' Welchen Wirkungsgrad hat das Kohlekraftwerk ohne Energietransport zum Verbraucher und mit Transport zum Verbraucher? |
| − | '''2)''' Die elektrische Ladung (<math>Q</math> in "Coulomb", <math>1\,\rm C=1\,\rm A\,s</math>), die positiv oder negativ sein kann. | + | :'''c)''' Bei einem Kraftwerk mit "Kraft-Wärme-Kopplung" werden die umliegenden Gebäude durch die Wärme des Kraftwerks geheizt und mit warmem Wasser versorgt. Durch große Rohre wird diese "Fernwärme" bis in die Häuser geleitet. Kleinere Anlagen werden auch "Blockheizkraftwerk" genannt. |
| − | :Elektrisch gleichnamige Gegenstände werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen. ("Elektrische und Magnetische Ladung sind hetero und homophob<ref>Siehe [http://de.wikipedia.org/wiki/Homophobie Wikipedia: Homophobie]</ref> .")) | + | :Erkläre was der Vorteil der "Kraft-Wärme-Kopplung" gegenüber einem normalen Kraftwerk ist. Warum macht es einen Unterschied, ob es Sommer oder Winter ist? |
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| − | '''3)''' Die magnetische Ladung<ref>Die magnetische Ladung wird auch als [http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetostatik Polstärke <math>p</math>] bezeichnet.</ref> (<math>Q_m</math> in "Weber", <math>1\,\rm Wb=1\,\rm V\,s</math>), die Nordpol- oder Südpolladung sein kann. | + | [[Datei:Energieflussbild Kohlekraftwerk.png|369px]] |
| − | :Die Enden zweier Gegenstände mit gleichnamigen magnetischen Ladungen werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen.
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| − | | + | '''3)''' Werden viele Energieumlader zu einer Kette geschaltet, so berechnet sich der Gesamt-Wirkungsgrad, indem man alle einzelnen Wirkungsgrade multipliziert. ([[Energieverluste_und_der_Wirkungsgrad_von_Energiewandlern#Wirkungsgrad|Tabelle von Wirkungsgraden]]) |
| − | | + | <br/>Fährt zum Beispiel ein Mensch Fahrrad, der vorher ein Brot gegessen hat, so wird die Energie zuerst von der Weizenpflanze von Licht auf das Weizenkorn umgeladen. Der Mensch lädt die Energie des Korns auf die Bewegung um: |
| − | *Die Wechselwirkung ist umso größer, je größer die Massen, die elektrischen oder die magnetischen Ladungen sind.
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| − | :Zwei ungleichnamige elektrische oder magnetische Ladungen schwächen sich in ihrer gemeinsamen Wirkung.
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| − | *Außerdem steigt die Wirkung bei kleinerem Abstand.
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| − | ====Ladungsträger im Atommodell====
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| − | Bild:Festkörper_Isolator.png|Das Modell eines Isolators.
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| − | Bild:Festkörper_Leiter.png|Das Modell eines Leiters.
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| − | Bild:Festmagnet_Weiss-Bezirke_unmagnetisch.png|Das Modell eines magnetisierbaren Gegenstandes.
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| − | *Ein Atom besteht aus einem "festen" Kern aus Protonen und Neutronen mit "weicher" Elektronenhülle. (Entscheidend ist der Energieaufwand!)
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| − | *Alle Materiebausteine tragen schwere Ladungen (Masse).
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| − | *Protonen tragen positive und Elektronen negative elektrische Ladung.
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| − | *Manche Atome (Fe, Co, Ni) oder Legierungen sind durch die Art ihrer Elektronenhülle ein kleiner Magnet/magnetischer Dipol. (Tragen sowohl Nord- als auch Südpolladung.)<ref>Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Dauermagnet#Dauermagnetmaterialien Dauermagnetmaterialien] <br>[http://www.heise.de/tp/artikel/26/26091/1.html IBM sucht die Super-Festplatte] Artikel bei heise online über eine "Super-Festplatte", welche die Magnetisierung einzelner Eisenatome zur Datenspeicherung verwendet. <br/> [http://www.ssc.rwth-aachen.de/index.php?menuID=3 Schöne Bilder von atomarer Magnetstruktur] (Prof. Dr. rer. nat. Dronskowski (Institut für Anorganische Chemie, RWTH Aachen))</ref>
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| − | *In Festkörpern sind die Atome nur schwer verschiebbar, oft in einer regelmäßigen Kristall-Struktur.
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| − | *Die äußere Elektronenhülle ist bei manchen Festkörpern ("Leiter") "leicht" verschiebbar, bei anderen ("Isolator") nicht.
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| − | *Die atomaren Magnete sind je nach Art des Festkörpers mehr oder weniger leicht zu drehen.<ref>Genauer gesagt, sind die Grenzen der sogenannten "Weisschen Bezirke" mit mehr oder weniger Energieaufwand zu verschieben.(Siehe Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Weiss-Bezirk Weiss-Bezirk])</ref>
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| − | ====Entstehung der Ursachen / Ladungen====
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| − | Bild:Ladungsverschiebung.png|Elektronen sind vom oberen auf den unteren Gegenstand gebracht worden.
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| − | Bild:Ladungsverschiebung_einfach.png|Dadurch ist der obere Gegenstand positiv, der untere negativ geladen.
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| − | Bild:Festmagnet_Weiss-Bezirke_magnetisch.png|Bei einem Festmagneten sind die atomaren Magnete überwiegend gleich ausgerichtet.
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| − | Bild:Festmagnet_vollständig_magnetisiert.png|Dieser Festmagnet ist sogar vollständig magnetisiert.
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| − | Bild:Festmagnet_mit_Ladungen.png|Vereinfachte Darstellung mit Magnetisierungslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.
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| − | Bild:Elektret teilweise polarisiert.png|Bei diesem Elektret<ref>Elektrete sind das elektrische Analogon zu Magneten. Sie enthalten atomare elektrische Dipole, die dauerhaft in eine bestimmte Richtung zeigen können. Dadurch entstehen an den Rändern Polarisationsladungen. (Siehe Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Elektret Elektret]) Hauptanwendung ist die Herstellung von Elektretmikrophonen. (Siehe Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Elektretmikrofon Elektretmikrophon])</ref> sind die atomaren Dipole überwiegend gleich ausgerichtet.
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| − | Bild:Elektret vollständig polarisiert.png|Dieser Elektret ist sogar vollständig polarisiert.
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| − | Bild:Elektret mit Ladungen.png|Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien, die von negativen zu positiven Ladungen verlaufen.
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| | + | [[Datei:Energieumladerkette_Vegetarier.png|514px]] |
| | + | :<math> 35\% \cdot 30\% = 0{,}35 \cdot 0{,}3 = 0{,}105 =10{,}5 \%</math> |
| | + | Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen. |
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| − | *Um einen Gegenstand elektrisch zu laden kann man elektrische Ladungen verschieben, man kann sie nicht erzeugen.
| + | '''a)''' Berechne den Gesamt-Wirkungsgrad von: |
| − | *Um einen Gegenstand zu magnetisieren, muss man seine atomaren Magnete ausrichten.
| + | #einer Glühlampe, die von einem Kohlekraftwerk betrieben wird. |
| − | **Bei der Magnetisierung eines Gegenstandes entsteht an den Rändern genausoviel Nordpol- wie Südpolladung. Die Summe der Ladungen ist Null.
| + | #der Energieumladerkette der Dampfmaschine: Dampfmotor > Generator > Glühlampe. |
| − | **Durch Erhitzung oder Erschütterungen werden die atomaren Magnete eines magnetisierbaren Gegenstandes beweglich.
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| − | *Um einen Gegenstand zu polarisieren, muss man seine atomaren elektrischen Dipole ausrichten.
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| − | **Bei der Polarisierung eines Gegenstandes entsteht an den Rändern genausoviel positive wie negative Ladung. Die Summe der Ladungen ist Null.
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| − | **Durch Erhitzung oder Erschütterungen werden die atomaren Dipole eines polarisierbaren Gegenstandes beweglich.
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| | + | '''b)''' Vergleiche den Wirkungsgrad von: |
| | + | #einem Benzinauto mit einem Elektroauto, das den Akku mit einem Kohlekraftwerk lädt. |
| | + | #einer Gasheizung mit einer Elektroheizung, die von einem Kohlekraftwerk angetrieben wird. |
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| | + | ==Energie im Haushalt== |
| | + | '''1) Energie sparen im Haushalt''' |
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| − | *Bringt man positive und negative Ladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
| + | In einem Haushalt braucht man Energie für die vielen elektrischen Geräte, wie Waschmaschine, Lampen, Computer,... und für die Heizung, das warme Wasser und für das Auto. |
| − | *Bringt man Nordpolladung und Südpolladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
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| − | *Ein Gegenstand mit ebensoviel positiver wie negativer Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind. | + | *Zeichne ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wofür ein durchschnittlicher Haushalt viel Energie benötigt und wofür weniger. (Infos im Artikel: [https://www.ndr.de/ratgeber/klimawandel/CO2-Ausstoss-in-Deutschland-Sektoren,kohlendioxid146.html Energiebedarf in Deutschland]) |
| − | *Ein Gegenstand mit ebensoviel Nordpol- wie Südpol-Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind.
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| − | ====Vergleiche====
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| − | ======Stärke======
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| − | Im Alltag ist die magnetische Wechselwirkung am stärksten. Schon kleine Magnete werden mit großen Kräften zusammengezogen. Elektrische Kräfte, wie zwischen zwei geriebenen Luftballons sind verhältnismäßig klein.
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| − | Erst bei großen Massen wie der Erde ist die schwere Wechselwirkung deutlich spürbar.
| + | '''2) Energiemengen und Kosten berechnen''' |
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| − | ======Reichweite======
| + | Peters Schreibtischlampe hat eine Leistung von 20 Watt. Er schaltet sie am Tag ca. 2 Stunden an. Für eine Kilowattstunde Energie verlangt sein Stromanbieter 25 Cent. |
| − | *Es gibt keine negative Massen.
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| − | *Die meisten Gegenstände enthalten fast gleichviel positive und negative elektrische Ladung. (Weil gleichnamige elektrische Ladung voneinander abgestoßen wird, ist es schwer elektrische Ladung anzuhäufen.)
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| − | *Alle Gegenstände enthalten gleichviel Nord- und Südpolladung.
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| − | Im Gegensatz zur elektrischen Ladung kann man von schwerer Masse ganz viel anhäufen. In einem großen Abstand wirkt daher nur noch die Gravitation von massereichen Gegenständen, wie Erde, Mond oder Sonne. Bei einem Magnet heben sich in größerer Entfernung die Wirkung der beiden Pole auf.
| + | *Wieviel Energie benötigt man um die Lampe eine Sekunde, eine Minute oder eine Stunde anzuschalten? |
| | + | *Was kostet Peter die Schreibtischlampe pro Monat und pro Jahr? |
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| − | ====Elektrische und magnetische Influenz<ref>Der Begriff "Influenz" beschreibt die Veränderung eines Gegenstandes in der Nähe von elektrischen oder magnetischen Ladungen. Man kann also von elektrischer oder magnetischer Influenz sprechen. Bei Magneten hat sich zusätzlich der Begriff der Magnetisierung eingebürgert. Von "Elektrisierung" dagegen spricht man im physikalischen Sinne nicht. Dieser Begriff wird eher umgangssprachlich für eine Verschiebung der elektrischen Ladung benutzt.</ref>====
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| − | Bild:Influenz_magnetisch_1.png|'''magnetische Polarisation (magnetische Influenz):''' Ein unmagnetischer aber magnetisierbarer Gegenstand.
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| − | Bild:Influenz_magnetisch_2.png|Wird in der Nähe eines Südpols magnetisiert.
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| − | Bild:Influenz_magnetisch_3.png|Vereinfachte Darstellung mit magnetischen Polarisationslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_1.png|'''Verschiebungspolarisation (elektrische Influenz):''' Ein Isolator wird in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_2.png|polarisiert. Die Elektronenhüllen verschieben sich.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_3.png|Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien, die von negativen zu positiven Ladungen verlaufen.
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| − | Bild:Influenz_Wasser_1.png|'''Orientierungspolarisation (elektrische Influenz):''' Haben die Moleküle einen elektrischen Dipol (zB Wasser)...
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| − | Bild:Influenz_Wasser_2.png|so werden die Moleküle gedreht.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_3.png|Nach Außen ergibt sich das gleiche Ergebnis wie bei der Verschiebung der Elektronenhüllen.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_Leiter_1.png|'''Ladungsverschiebung (elektrische Influenz):''' Bei einem Leiter werden in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_Leiter_2.png|Ladungen verschoben.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_Leiter_3.png|Der Gegenstand ist nicht polarisiert. <br>Es entsteht trotzdem ein elektrischer Dipol.
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| − | *Elektrische Ladung ist in einigen Stoffen sehr beweglich, in anderen nicht.
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| − | *Magnetische Ladung ist immer fest an den magnetisierten Gegenstand gebunden.
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| − | *In einem elektrisch neutralen Gegenstand werden in der Nähe eines elektrisch geladenen Gegenstandes die Ladungen verschoben. (elektrische Influenz)
| + | '''3) Verschiedene Lichtquellen''' |
| − | *In einem magnetisierbaren Gegenstand werden in der Nähe einer magnetischen Ladung die atomaren Magnete ausgerichtet. (magnetische Influenz)
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| − | *Elektrische Ladungen lassen sich nur sehr schlecht speichern/anhäufen. Elektrische Ladungen lassen sich nur schwer trennen.
| + | Herbert mag das Licht von Energiesparlampen nicht und beleuchtet sein Wohnzimmer deshalb mit einer Glühlampe. Andrea hat sich dagegen für die gesamte Wohnung Energiesparlampen zugelegt, während Maria sich für LED-Lampen entschieden hat. |
| − | *Ein Gramm Kupfer hat eine positive Ladung von fast 3 Millionen Coulomb!
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| − | *Bei Nichtleitern gibt es keine frei beweglichen Elektronen, aber die Elektronenhülle ist trotzdem verschiebbar. | + | *Vergleiche die verschiedenen Lampentypen bezüglich Energiebedarf, Wärmeentwicklung und Lebensdauer. |
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| − | ==Häufige Fehler==
| + | Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90% |
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| + | *Was ist damit gemeint? |
| − | *Die Magnetpole befinden sich an den Enden der Magnetisierung. Es ist sinnvoll diese farbig zu markieren. Häufig wird aber eine ganze Hälfte eines Permanentmagneten grün oder rot gezeichnet. | + | |
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| | ==Fußnoten== | | ==Fußnoten== |
| | <references /> | | <references /> |
Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen.
In einem Haushalt braucht man Energie für die vielen elektrischen Geräte, wie Waschmaschine, Lampen, Computer,... und für die Heizung, das warme Wasser und für das Auto.
Peters Schreibtischlampe hat eine Leistung von 20 Watt. Er schaltet sie am Tag ca. 2 Stunden an. Für eine Kilowattstunde Energie verlangt sein Stromanbieter 25 Cent.
Herbert mag das Licht von Energiesparlampen nicht und beleuchtet sein Wohnzimmer deshalb mit einer Glühlampe. Andrea hat sich dagegen für die gesamte Wohnung Energiesparlampen zugelegt, während Maria sich für LED-Lampen entschieden hat.
Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90%
