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Wirkungsgrad

Skripte
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Einführung

Warum ist eine moderene LED eigentlich genau so hell wie eine alte Glühbirne, verbraucht dabei allerdings weniger Energie. Die beiden Geräte haben unterschiedliche Funktionsweisen. Aufgrund der verschiedenen Funktionsweisen haben LEDs haben einen höheren Wirkungsgrad als Glühbirnen.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad $\eta$ eines Bauteils oder einer Maschine ist der Quotient aus der Nutzleistung $P_\text{ab}$ durch die zugeführte Leistung $P_\text{zu}$. Beziehungsweise der Quotient aus der Nutzenergie durch die zugeführte Energie:
$\eta=\dfrac{P_\text{zu}}{P_\text{ab}}=\dfrac{E_\text{zu}}{E_\text{ab}}$
$\eta=\dfrac{P_\text{zu}}{P_\text{ab}}=\dfrac{E_\text{zu}}{E_\text{ab}}$
Der Wirkungsgrad hat keine Einheit, weil du zwei Größen gleicher Einheit durcheinander teilst.

Energieerhaltung

Die Energie eines geschlossenen Systems ist immer erhalten. Das heißt, die Differenz zwischen Nutzenergie und zugeführter Energie verschwindet nicht, sondern wird in eine andere Energieform gewandelt, die nicht genutzt wird. Meistens ist die nicht nutzbare Energie Wärme.
Da die nutzbare Energie nie größer sein kann als die zugeführte Energie, muss der Wirkungsgrad immer kleiner oder gleich 1 sein:
$\eta\le 1$
$\eta\le 1$

Beispiele

Den Wirkungsgrad von Glühbirnen und LEDs bestimmt man, indem man die zugeführte elektrische Leistung der Geräte durch die Lichtleistung, die beide Geräte abstrahlen, teilt.
Glühbirnen haben einen sehr geringen Wirkungsgrad von etwa $\eta=0,05$ bzw $5\,\%$. Das heißt, etwa $95\,\%$ der Energie werden direkt in Wärme gewandelt und können den Raum nicht erleuchten.
LEDs werden aus moderenen Dioden aufgebaut. Normale LEDs im Haushalt haben einen Wikrungsgrad von etwa $0,25$ bzw. $25\,\%$. Sie brauchen demnach bei gleicher Lichleistung nur $\frac{1}{5}$ der elektrischen Leistung einer Glühbirne. An der Effiktivität der LEDs wird weiter geforscht. In Laboren wurden schon Wirkungsgrade von über $80\,\%$ erreicht. Diese LEDs sind allerdings noch viel zu teuer, um sie wirtschaftlich nutzen zu können.
Der Wirkungsgrad von Generatoren wird durch Leitungswiderstände und Reibung begrenzt, dennoch haben sie einen Wirkungsgrad von $\eta\ge0,95$. Das heißt, dass über $95\,\%$ der mechanischen Energie in elektrische Energie gewandelt werden können.
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