
English: 
Wherever you are right now, there’s probably
an electrical outlet within easy reach.
Whether you want to vacuum the living room or recharge your phone, all you have to do is plug into the wall, and bam – instant access to electricity.
But have you ever wondered how all of that electrical power gets to your house, school, or office in the first place?
There are a lot of steps, but two of the most important ones involve electric generators and transformers.
And both of these devices work because of
a concept we introduced last time: induction.
[Theme Music]
Electric generators are like the opposite
of electric motors.
Motors take electrical energy – so, the current running through a coil of wire – and convert it into mechanical energy as the motor turns.

German: 
Wo auch immer du gerade bist, es gibt wahrscheinlich eine Steckdose in Reichweite.
Ob du nun das Wohnzimmer staubsaugen möchtest oder dein Handy aufladen, alles, was du tun musst, ist, es einzustöpseln, und bamm -- sofort hast du Zugang zu Elektrizität.
Aber hast du dich schonmal gefragt, wie all diese Elektrizität zu deinem Haus, der Schule oder dem Büro kommt?
Es braucht dazu viele Schritte, aber zwei der wichtigsten benötigen elekrische Generatoren und Transformatoren.
Und diese beiden Geräte funktionieren mit einem Prinzip, das wir beim letzten Mal vorgestellt haben: Induktion.
[Titelmusik]
Elektrische Generatoren sind das Gegenteil von elektrischen Motoren.
Motoren nehmen elektrische Energie -- also den Strom, der durch eine Drahtspule fließt -- und konvertieren ihn in mechanische Energie, wenn der Motor sich dreht.

English: 
Generators, on the other hand, take mechanical energy – the rotation of a coil of wire – and use induction to convert it into electrical energy, in the form of a current running through a wire.
Generators use a wire wound around something called an armature – basically, a cylinder that rotates within a uniform magnetic field.
As the loop rotates, the changing magnetic
flux induces a current in the loops of the coil.
But the angle that the coil makes with respect to the magnetic field keeps changing, which causes the direction of the induced current to reverse itself at every half-turn.
So the magnetic field in the generator stays
constant.
But because the coil is rotating, the angle
between the coil and the magnetic field changes.
This means that the magnetic flux through the loops in the coil changes over time, which is what induces an emf.
And as we’ll soon see, the emf depends on the sine of the angle between the coil and the magnetic field.
So for half of the rotation, the sine of the angle is positive, and for the other half, the sine of the angle is negative.
When it’s positive, the current flows in
one direction.
When it’s negative, it flows in the other.
This means that the direction of the current
flips with every half-rotation.
This produces a type of flow of electricity
known as alternating current, or AC.
Until now, we’ve mainly been talking about
DC, or direct current.

German: 
Generatoren nehmen im Gegensatz dazu mechanische Energie -- die Rotation einer Drahtspule -- und benutzen Induktion, um sie in elektrische Energie umzuwandeln in Form von Strom durch einen Draht.
Generatoren benutzen einen Draht um etwas, das Rotor genannt wird -- im Grunde ein Zylinder, der sich innerhalb eines gleichförmigen magnetischen Felds dreht.
Wenn die Schlaufe sich dreht, induziert der sich ändernde magnetische Fluss einen Strom in den Windungen der Spule.
Aber der Winkel der Spule in Bezug auf das Magnetfeld ändert sich ständig, was dazu führt, dass die Richtung des induzierten Stroms sich mit jeder halben Drehung umkehrt.
Das Magnetfeld im Generator bleibt also konstant.
Aber da die Spule sich dreht, ändert sich der Winkel zwischen Spule und Magnetfeld.
Das bedeutet, dass der magnetische Fluss durch die Windungen der Spule sich mit der Zeit ändert, was eine EMK induziert.
Und wie wir bald sehen werden hänge die EMK vom Sinus des Winkels zwischen der Spule und dem Magnetfeld ab.
Für einen halbe Umdrehung ist der Sinus des Winkels positiv, und für die restliche Hälfte ist der Sinus des Winkels negativ.
Wenn er positiv ist, fließt der Strom in eine Richtung.
Wenn er negativ ist, fließt er in die andere.
Das bedeutet, dass sich die Richtung des Stroms mit jeder helfen Drehung umkehrt.
Das erzeugt einen Stromfluss, der als Wechselstrom bekannt ist.
Bis jetzt haben wir von allem über Gleichstrom geredet.

German: 
Es gibt Gleichstromgeneratoren, die bestimmte Elemente enthalten, so dass der Strom permanent in die gleiche Richtung fließt, anstatt sich mit der Drehung der Spule umzukehren.
Aber Wechselstrom ist der Strom, der aus den Steckdosen in deinen Wänden kommt.
Und an den meisten Orten auf der Welt wechselt er entweder 50 oder 60 Mal pro Sekunde.
Das wird die Frequenz des Stroms genannt, und sie wird normalerweise in Hertz angegeben.
Nun können wir die Stärke der EMK in einem Generator berechnen, indem wir einige der Prinzipien benutzen, über die wir beim letzten Mal gesprochen haben.
Wir haben bereits beschrieben, was passiert, wenn man eine Drahtschlaufe in ein Magnetfeld oder heraus bewegt:
Die induzierte EMK im Draht ist gleich der Stärke des Magnetfelds mal der Länge der Schlaufe mal seiner rechtwinkligen Geschwindigkeit.
In anderen Worten, es ist die Geschwindigkeit mal der Sinus des Winkels zwischen dem Magnetfeld und der Schlaufe.
Und das gleiche Prinzip gilt auch für eine Drahtspule, die in einem Magnetfeld rotiert.
Wir müssen nur einige Variablen durch solche austauschen, die sich auf eine rotierende Spule anwenden lassen.
Zuerst, anstelle der Länge, nehmen wir die Fläche einer Schlaufe A.
Und anstatt der transitiven Geschwindigkeit benutzen wir die Winkelgeschwindigkeit ω.
Als nächstes ist der Winkel Theta gleich der Winkelgeschwindigkeit mal der Zeit.

English: 
There are DC generators, which include special parts to make the current keep flowing in the same direction the whole time, instead of reversing itself as the coil turns.
But AC power is the kind that flows from the
outlets in your walls.
And in most places in the world, it reverses
itself either 50 or 60 times per second.
This is called the frequency of the current,
and you’ll normally see it written in hertz.
Now, we can calculate the strength of the emf in a generator using some of the principles we talked about last time.
We’ve already described what happens when you move a loop of wire in or out of a magnetic field:
The emf induced in the wire is equal to the strength of the magnetic field, times the length of the loop, times its perpendicular velocity.
In other words, it’s the velocity times the sine of the angle between the magnetic field and the loop.
And the same idea applies to a coil of wire
rotating in a magnetic field, too.
We just have to replace some of the variables
with ones that apply to a rotating coil.
First, instead of the length of the loop,
we’ll use the area of one loop of the coil, A.
And instead of translational velocity, we’ll
use angular velocity, ω.
Next, the angle, theta, is just equal to the
angular velocity multiplied by time.

English: 
And finally, instead of finding the emf in just one loop of wire, we’re finding the emf in a whole coil of wire.
Which means that we need to multiply this
equation by N, the number of loops in the coil.
So, the emf induced in a coil rotating in a magnetic field is equal to the number of loops in the coil, times the strength of the magnetic field,
times the area of a loop of the coil, times the angular velocity, times the sine of the angular velocity multiplied by time.
It’s a bit of a mouthful, but that’s because there are so many factors that affect the emf induced in the coil.
Basically, the equation is saying that you’ll have a greater induced current in the generator if there are more coils in the wire, or if there’s a stronger magnetic field,
or if each loop of the coil is bigger,
or if it rotates faster.
Now, it might seem kind of strange to have a generator produce a current that reverses itself dozens of times a second.
But actually, this is incredibly useful.
That’s because another important device that gets electricity from the power plant to your house is a transformer, which is made up of two coils of wire.
And transformers only work with AC power.

German: 
Und schließlich suchen wir die EMK in einer Spule anstatt in einer einzelnen Schlaufe.
Was bedeutet, dass wir die Gleichung mit N, der Anzahl der Windungen der Spule, multiplizieren müssen.
Also ist die EMKin einer in einem Magnetfeld rotierenden Spule gleich der Anzahl der Windungen der Spule mal der Stärke des Magnetfelds
mal der Fläche einer Windung der Spule mal der Winkelgeschwindigkeit mal dem Sinus der Winkelgeschwindigkeit mal der Zeit.
Das ist ganz schön kompliziert, aber das ist wegen der vielen Faktoren, die die in der Spule induzierte EMK beeinflussen.
Im Grunde sagt die Gleichung, dass die einen höheren induzierten Strom im Generator hast, wenn die Spule mehr Windungen hat oder das Magnetfeld stärker ist
oder die Windungen der Spule größer sind oder sie schneller rotiert.
Nun, es scheint seltsam zu sein, einen Generator zu haben, der einen Storm erzeugt, der sich dutzende Male pro Sekunde umkehrt.
Aber tatsächlich ist das unglaublich praktisch.
Und zwar weil ein anderes wichtiges Geräts, das Elektrizität vom Kraftwerk zu deinem Haus bringt, ein Transformator ist, der aus zwei Drahtspulen besteht.
Und Transformatoren funktionieren nur mit Wechselstrom.

English: 
They’re necessary because one of the problems with transmitting electricity over long distances is that, if the voltage is low, a lot of power gets wasted as heat.
We’re talking like 80% in some cases.
Which is a huge waste of energy!
When electricity is transmitted at higher voltages,
though, much less power gets wasted as heat.
That’s because, for the same power, a lower voltage translates to a higher current, and power loss increases proportionally to the square of the current.
In other words, if you double the voltage, you end up with only a quarter the power loss you had before.
And if you triple the voltage, you get a ninth
of the power loss.
So it’s worth transmitting electricity at
very high voltages.
But then you need a way to change the voltage
of the electricity running through the lines
– from its original voltage from the generator,
which could be around 12,000 volts;
then up to a very high voltage as it travels long
distances, which might be as high as 240,000 volts.
That’s definitely not safe to use in your
household appliances.
So once the electricity gets to where it needs
to go, you need to lower its voltage again.

German: 
Sie werden benötigt, weil eines der Probleme bei der Übertragung von Elektrizität über große Entfernungen ist, dass bei niedriger Spannung viel Energie als Wärme verlorengeht.
In manchen Fällen sind das 80%.
Was für eine riesige Energieverschwendung!
Wenn Elektrizität jedoch mit höheren Spannungen transportiert wird, wird viel weniger Energie als Wärme verschwendet.
Das ist so, weil für dieselbe Energie eine geringere Spannung einen höheren Strom bedeutet, und der Energieverlust proportional zum Quadrat des Stroms ansteigt.
In anderen Worten, wenn du die Spannung verdoppelst, erhältst du nur ein Viertel des Energieverlustes.
Und wenn du die Spannung verdreifachst, hast du ein Neuntel des Energieverlusts.
Also ist es sinnvoll, Elektrizität mit sehr hohen Spannungen zu übertragen.
Aber dann brauchst du eine Möglichkeit, die Spannung der Elektrizität durch die Leitungen zu verändern
-- von ihrem ursprünglichen Wert vom Generator, der um 12 000 V betragen kann
auf eine sehr hohe Spannung, wenn große Entfernungen überbrückt werden müssen, die so 240 000 V betragen könnte.
Das ist definitiv nicht sicher für den Gebrauch in unseren Haushaltsgeräten.
Also wenn die Elektrizität da ankommt, wo sie gebraucht wird, muss die Spannung wieder reduziert werden.

German: 
In den USA ist die Spannung aus der Steckdose 110 V und an den meisten anderen Orten sind es 220 V.
Und diese Spannungsänderungen werden mit Transformatoren gemacht, die etwas benutzen, das gegenseitige Induktion genannt wird, und bei dem eine Änderung des Stroms in einer Spule zu einer EMK in einer weiteren, benachbarten Spule führt.
Und EMK ist das gleiche wie Spannung.
Diese Änderung passiert, weil der sich ändernde Storm in der ersten Spule ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt.
Also verändert sich der magnetische Fluss durch die zweite Spule, was eine EMK induziert.
Und die in der zweiten Spule induzierte EMK ist gleich der Änderung des Stroms in der ersten Spule, geteilt durch die Änderung der Zeit und multipliziert mit einer Konstanten M.
M hängt von Dingen wie der Größe und Form der Spulen ab, und wie sie relativ zueinander positioniert sind.
Das funktioniert auch in die andere Richtung:
Eine Änderung des Storms in der zweiten Spule wird eine entsprechende EMK in der ersten Spule induzieren.
In Transformatoren ist die Elektrizität in der ersten Spule Wechselstrom, was bedeutet, dass der Strom und das Magnetfeld, das er erzeugt, sich ständig ändern.
Also wird eine EMK in der zweiten Spule induziert.
Aber wenn die zweite Spule mehr Windungen hat als die erste, wird es eine höhere Spannung haben, und umgekehrt.
Und das ist der Grund:

English: 
In the US, the power coming out of your wall is
110 volts, and in most other places it’s 220 volts.
All those voltage changes are made using transformers, which take advantage of something called mutual inductance, where a change in the current in one coil leads to a change in emf in another, nearby coil.
And emf is the same thing as voltage.
This change happens because the changing current
in the first coil produces a changing magnetic field.
So the magnetic flux through the second coil
changes, which induces an emf.
And the emf induced in the second coil will be equal to the change in current in the first coil, divided by the change in time, and multiplied by a constant, M.
M depends on things like the size and shape of the coils, and how they’re positioned relative to each other.
This works in the opposite direction, too:
a change in current in the second coil will
induce a corresponding emf in the first coil.
In transformers, the power running through the first coil is AC, which means the current and the magnetic field it produces are constantly changing.
So an emf is induced in the second coil.
But if the second coil has more turns than the first,
it’ll have a higher voltage, and vice versa.
Here’s why:

English: 
Faraday’s law, which we talked about last time, says that the emf – or voltage – in each coil is equal to the number of loops in the coil, times the change in magnetic flux over time.
We can write this out as an equation for each coil separately, using a subscript P for the primary coil and a subscript S for the secondary coil.
Now, we want to know how the voltage in the secondary coil compares to the voltage of the primary one.
To find out, we divide the voltage in the secondary
coil by the voltage in the primary coil.
The change in magnetic flux over time cancels out,
which leaves us with a simple but useful equation:
The voltage in the secondary coil divided by the voltage in the primary coil is equal to the number of loops in the secondary coil divided by the number of loops in the primary coil.
So if the secondary coil has twice as many loops as the primary coil, it’ll have twice as much voltage.
And if it has triple the loops, it’ll have
triple the voltage, and so on.
If the secondary coil has more loops than the primary coil, so that it increases the voltage, that’s called a step-up transformer.
And if it has fewer loops than the primary coil, so it decreases the voltage, that’s a step-down transformer.
As the electricity in power lines travels from the power plant to your house, it goes through lots of step-up and step-down transformers.

German: 
Das Faraday'sche Gesetz, über das wir beim letzen Mal gesprochen haben, besagt, dass die EMK -- oder Spannung -- in jeder Spule gleich der Anzahl der Windungen in jeder Spule mal der Änderung im magnetischen Fluss über die Zeit ist.
Wir können die Gleichung für jede Spule separat aufschreiben mit dem Index P für die primäre Spule und Index S für die Sekundäre Spule.
Was wir jetzt wissen wollen ist, wie hoch die Spannung in der sekundären Spule im Verhältnis zu der der ersten ist.
Um das herauszufinden, teilen wir die Spannung in der sekundären Spule durch die Spannung in der primären Spule.
Die Änderung des magnetischen Flusses mit der Zeit kürzt sich raus, und es bleibt eine einfache, aber nützliche Gleichung:
Die Spannung in der sekundären Spule geteilt durch die Spannung in der primären Spule ist gleich der Anzahl der Windungen der zweiten Spule geteilt durch die Anzahl der Windungen in der primären Spule.
Also wenn die sekundäre Spule doppelt so viele Windungen hat wie die primäre Spule, dann hat sie die doppelte Spannung.
Und wenn sie die dreifache Anzahl Windungen hat, hat sie die dreifache Spannung, und so weiter.
Wenn die sekundäre Spule mehr Windungen hat als die erste Spule, so dass sich die Spannung erhöht, nennen wir das einen Aufspanntransformator.
Und wenn sie weniger Windungen als die primäre Spule hat, so dass die Spannung reduziert wird, dann ist das ein Abspanntransformator.
Wenn die Elektrizität in den Leitungen von dem Kraftwerk zu deinem Haus reist, geht sie durch viele Auf- und Abspanntransformatoren.

German: 
Und wenn du je eine Tesla-Spule in Aktion gesehen hast -- das ist nur eine ausgefallene Version eines Aufspanntransformators.
Die sekundäre Spule ist so ausgelegt, dass sie Blitze schießt, die wie Blitze beim Gewitter aussehen.
Gegenseitige Induktivität wird auch für viele andere Dinge verwendet -- wie drahtlose Ladegeräte zum Beispiel.
Viele Handys haben die Möglichkeit, sie drahtlos aufzuladen, indem du einfach das Handy auf ein Ladegerät legst und es lädt.
Man braucht nichts einzustöpseln.
Und das funktioniert, weil es eine Spule im Ladegerät gibt und eine weitere in deinem Handy.
Der Wechselstrom, der durch das Ladegerät fließt, induziert eine EMK in der Spule des Handys, das die Energie nutzen kann, um den Akku aufzuladen.
Also dieselbe Technologie, die hilft, Elektrizität in die Steckdosen in deiner Wand zu bekommen, kann Elektrizität von einem Gerät auf eine anderes übertragen -- selbst, wenn es keine physische Verbindung zwischen ihnen gibt.
Heute hast du gelernt, wie Elektrizität erzeugt und übertragen wird.
Wir haben erklärt, wie elektrische Generatoren funktionieren, und die Generatorgleichung abgeleitet.
Wir haben auch über Transformatoren gesprochen, und wie sie gegenseitige Intuktivität nutzen, um die Spannung zu verändern.
Schließlich haben wir beschrieben, wie gegenseitige Intuktivität in drahtlosen Ladegeräten benutzt wird.
Crash Course Physics wird in Zusammenarbeit mit PBS Digital Studios produziert.

English: 
If you’ve ever seen a Tesla coil in action –
that’s just a fancy version of a step-up transformer.
The secondary coil is designed so that it shoots out bursts of electricity that look like lightning bolts.
Mutual inductance is also used in lots of other things, too – like wireless chargers, for example.
Lots of cell phones have a wireless charging feature, where you just put the phone on top of a charging pad and it charges.
No need to plug anything in.
It works because there’s a coil inside the charging
pad, and another one inside your phone.
The AC power running through the charging pad induces an emf in your phone’s coil, which can use the energy to charge its battery.
So the same technology that helps get electricity to the outlets in your wall can move power from one device to another – even if there are no physical connections between them.
Today, you learned about how electricity is
produced and transmitted.
We explained how electric generators work,
and derived the generator equation.
We also talked about transformers, and how
they use mutual inductance to change voltage.
Finally, we described how mutual inductance
is used in wireless chargers.
Crash Course Physics is produced in association
with PBS Digital Studios.

English: 
You can head over to their channel and check out a playlist of the latest episodes from shows like:
The Art Assignment, Blank on Blank, and Braincraft.
This episode of Crash Course was filmed in
the Doctor Cheryl C. Kinney Crash Course Studio
with the help of these amazing people and our equally amazing graphics team, is Thought Cafe.

German: 
Du kannst zu ihrem Kanal wechseln und Playlists ansehen von den letzen Folgen von Sendungen wie:
The Art Assignment, Blank on Blank und Braincraft.
Diese Folge von Crash Course wurde in den Doctor Cheryl C. Kinney Crash Course Studios gedreht
mit Hilfe dieser erstaunlichen Menschen und unser ebenso erstaunliches Grafik-Team ist Thought Cafe.
