3
STROM ERZEUGEN
Nach der Zombieapokalypse dürfte das öffentliche Stromnetz nur noch einen oder höchstens zwei Tage funktionieren. Das System zur Stromerzeugung und -verteilung ist ziemlich kompliziert und genau austariert. Die zuständigen Leute aber werden höchstwahrscheinlich viel zu sehr damit beschäftigt sein, sich von Zombies auffressen zu lassen oder selbst zu Zombies zu werden (siehe Abb. 3-1), als dass man sich noch auf sie verlassen könnte.
Sehen wir den Tatsachen ins Auge: Sie werden ohnehin nicht mehr viel Strom benötigen. Im Fernsehen läuft nichts mehr, und es wird auch kein Internet mehr geben. Daher benötigen Sie nur wenig Strom, den Sie zum Glück auch selbst erzeugen können, und zwar entweder durch Sonnenenergie oder indem Sie Bewegungsenergie in elektrischen Strom umwandeln.
Abbildung 3-1: Zombiearbeiter
LEISTUNG UND ENERGIE
Wenn es um die Stromerzeugung geht, ist oft von »Energie« die Rede, aber auf elektrischen Geräten finden Sie dagegen Angaben zur »Leistung«. In welchem Zusammenhang stehen diese beiden Begriffe? Leistung ist die Energie, die pro Zeiteinheit geliefert oder verbraucht wird. Die Energie wird in der Einheit Joule (J) angegeben (benannt nach dem englischen Wissenschaftler und Bierbrauer James Joule). Für die Leistung ergibt sich daher die Einheit Joule pro Sekunde (J/s), die gewöhnlich Watt (W) genannt wird (nach dem schottischen Erfinder James Watt): Ein Watt ist ein Joule pro Sekunde.
Eine Batterie enthält eine gewisse »Menge« an Energie (gemessen in Joule). Wie schnell die Batterie geleert wird, hängt davon ab, welche Leistung Sie davon beziehen. Wenn Sie ein Gerät mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme anschließen, braucht es ziemlich lange, bis die Batterie leer ist. Für ein Gerät mit hoher Leistungsaufnahme aber hält die gleiche Batterie nicht lange.
Tabelle 3-1 führt einige gebräuchliche elektrische Geräte und deren Leistungsaufnahme auf.
Gerät | Leistungsaufnahme (W) | Zeit zum Entleeren einer Autobatterie |
Tragbares UKW-Radio | 2 | 300 Std. |
Elektrodusche (Duschsystem mit eigenem Durchlauferhitzer, das das Wasser erhitzt und hochpumpt) | 10.000 | 3,6 Min. |
Tabelle 3-1: Leistungsaufnahme von gebräuchlichen Geräten
Kochen und Heizen verschlingen eine Menge Energie. Wenn Sie heißes Wasser oder eine warme Mahlzeit benötigen, sollten Sie lieber etwas verbrennen, als auf Strom zurückzugreifen.
SPIELARTEN DER ELEKTRIZITÄT
In Tabelle 3-1 sind zwar sowohl ein tragbares Radio als auch eine Elektrodusche zu finden, allerdings benötigen diese beiden Geräte unterschiedliche Arten von Elektrizität. Das stellt zum Glück aber kein Problem dar, denn mit gewissen Einschränkungen ist es möglich, die eine Form von Strom in die andere umzuwandeln. Zombies sind dazu jedoch nicht in der Lage (siehe Abb. 3-2). Geräte, die Strom benötigen, lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: in solche, die hohe Wechselspannung brauchen, und solche, die niedrige Gleichspannung erfordern. Geräte mit Gleichspannung werden oft über eine Batterie betrieben.
Abbildung 3-2: Zombies finden keinen Geschmack an Elektrizität.
NIEDRIGE GLEICHSPANNUNG
Gleichstrom mit niedriger Spannung lässt sich einfacher und auch sicherer erzeugen, verwenden und speichern als Wechselstrom. Niedrige Spannung bedeutet hier 12 V (Volt) oder weniger. Um zu verstehen, wie elektrischer Strom durch Drähte fließt, kann es hilfreich sein, sich Wasser vorzustellen, das durch ein Rohr strömt. Dieses Bild ist insbesondere nützlich, um sich den Unterschied zwischen Spannung und Stromstärke klarzumachen.
Die Spannung ähnelt dabei dem Druck im Wasserrohr. Eine hohe Spannung kann für eine höhere Leistung sorgen als eine niedrige Spannung, ebenso wie Wasser aus einer Hochdruckleitung einen Behälter viel schneller füllt als Wasser aus einer Niederdruckleitung. Allerdings ist das Bild von der Spannung als Wasserdruck nicht vollständig. Es ist besser, sich die Spannung als Höhenunterschied vorzustellen.
Im Diagramm aus Abbildung 3-3 liegt der Punkt, an dem das Wasser in das Rohr eintritt, höher als der Punkt, an dem es wieder austritt. Je größer dieser Höhenunterschied ist, umso größer ist auch die Durchflussrate. Diese Durchflussrate entspricht in der Elektrizitätslehre der Stromstärke. Sie gibt an, welche Menge an elektrischer Ladung einen Punkt pro Zeiteinheit passiert. Die Maßeinheit für die Stromstärke ist das Ampere. Die Abkürzung lautet A, allerdings werden oft auch Buchstaben wie in mA (für Milliampere) davorgesetzt. Ein Milliampere ist ein Tausendstel Ampere (1 mA = 1/1000 A).
Abbildung 3-3: Spannung und Stromstärke
Die Leistung, die ein Gerät verbraucht, können Sie berechnen, indem Sie die Spannung (in Volt) mit der Stromstärke (in Ampere) multiplizieren.
Bei der Versorgung von Niederspannungsgeräten (z. B. einem UKW-Radio) ist es wichtig, die richtige Spannung anzulegen. Zu viel Spannung führt dazu, dass ein zu großer Strom durch das Radio fließt, wodurch es zerstört werden kann, und dann ist das Radio tot. Ein Zombieradio ist natürlich das Letzte, was Sie noch brauchen! Bei zu geringer Spannung dagegen fließt zu wenig Strom, sodass das Gerät nicht richtig funktioniert. Je nach Gerät ist der akzeptable Spannungsbereich unterschiedlich groß. Ein Radio, das nach den technischen Daten eine Spannung von 6 V benötigt, kann durchaus gut mit Spannungen zwischen 4 V und 8 V laufen.
WARNUNG | Wenn Sie Geräte für niedrige Gleichspannung verwenden, müssen Sie genau darauf achten, die Batterien richtig herum anzuschließen. Anderenfalls fließt der Strom in der verkehrten Richtung durch den Apparat. Die meisten Geräte haben zwar einen eingebauten Schutz dagegen, aber wenn das nicht der Fall ist, kann das zu Beschädigungen führen. |
HOHE WECHSELSPANNUNG
Da elektrische Energie bei höherer Spannung effizienter übertragen werden kann, wird für die Verteilung des Stroms an Haushalte Hochspannung verwendet. Hohe Wechselspannung unterscheidet sich sehr stark von niedriger Gleichspannung. Die Spannung beträgt entweder 120 V (in den USA) oder 220 V (praktisch überall sonst). Im Gegensatz zu einer Batterie, die einen positiven und einen negativen Anschluss hat, ändert sich bei Wechselspannung die Polarität der beiden Anschlüsse 60 Mal pro Sekunde (in den USA) bzw. 50 Mal pro Sekunde (praktisch überall sonst). Die Frequenz, also die Rate, mit der sich die Polarität ändert, wird in Hertz (Hz) angegeben: Ein Hertz entspricht einem Polaritätswechsel pro Sekunde.
Die zeitliche Änderung der Spannung einer Wechselstromquelle kann wie in Abbildung 3-4 grafisch dargestellt werden (hier für einen amerikanischen 120-V-Anschluss). Wie Sie sehen, wechselt die Spannung nicht abrupt die Richtung, sondern verläuft sanft erst in die eine und dann in die andere Richtung. Sie steigt langsam bis zu einem Spitzenwert von 150 V an und sinkt dann auf -150 V ab. Die Höchstspannung beträgt zwar auf beiden Seiten der Nulllinie mehr als 120 V, aber wir sprechen hier trotzdem von einer Spannung von 120 V, da die Leistung gleich der einer Gleichspannung von 120 V ist. Diese Angabe der Wechselstromspannung wird als quadratischer Mittelwert oder Effektivwert bezeichnet. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie auf http://www.electronics-tutorials.ws/accircuits/rms-voltage.html.
Abbildung 3-4: Wechselspannung
Geräte für niedrige Gleichspannung werden oft über einen Adapter mit Wechselspannung versorgt, wie Sie es etwa von Ihrem Laptop oder Handy kennen. Diese Adapter wandeln die Wechselspannung in Gleichspannung um und senken dabei auch gleich die Spannung. Sofern Sie nicht über einen Wechselstromgenerator verfügen, werden Sie in der postapokalyptischen Welt aber ohnehin eher Gleichstrom mit niedriger Spannung erzeugen, den Sie dann direkt verwenden können. Mit einem sogenannten Inverter ist es zwar möglich, Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln, aber...
