> Mein Sohn hat ein Fahrrad mit Nabendynamo.
> Das Licht läßt sich über einen Schalter an und aus schalten. ...
> Muss ich kräftiger strampeln wenn ich das Licht einschalte oder ist der Kraftaufwand gleich?
Wenn das Licht eingeschaltet wird muß man kräftiger strampeln. Begründung folgt gleich.
Zuersta ber ein bischen technischer Background zum Nabendynamo, den man kennenn sollte: www.nabendynamo.de/produkte/dynamodetails.html
Erklärung zum "Bremseffekt durch Lichteinschalten"
Die Bewegung der Magnete (in der Nabe gedreht) an den Spulen im Dynamo (feststehend auf der Achse) vorbei bewirkt durch Induktion einen Stromfluß.
Man kann die Lenzsche Regel (de.wikipedia.org/wiki/Lenzsche_Regel#Erkl.C3.A4rung) oder die Lorenzkraft (de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft#Allgemeine_Definition) benutzen um das zu begründen.
Wenn der Stromkreis nicht geschlossen ist (Schalter aus), dann bewirkt die Induktion nur eine Ladungstrennung. An den Polen des Dynamos wird Spannung gemessen. Diese Leerlaufspannung ist proportional zur Drehgeschwindigkeit des Dynamos, siehe das Geschwindigkeitssymbol "v" in den Formel zur Lorenzkraft auf der Wikipedia-Seite.
Der Hersteller beschreibt das auch sehr schön in dem erten Diagramm "Leerlaufspannung gegenüber Fahrgeschwindigkeit", ganz oben auf der Seite.
Wenn sich die Leerlaufspannung einstellt, dann ist die elektrostatische Kraft auf die Elektronen genau so groß wie die Induktionskraft, die Elektronen fließen nicht. Das die Elektronen nicht fließen haben wir mit einem offenen Stromkreis sowieso erwartet.
Wenn aber der Schalter nun geschlossen wird, dann fließen die Elektronen, und gemäß Lenzscher Regel (siehe Wikipedia) baut der fleißende Strom ein Magnetfeld auf, daß seiner Ursache (der Bewegung der Magnete des Dynamos) entgegenwirkt.
Das ist die Kraft, die man zusätzlich durch Treten überwinden muß. Diese Extrakraft, aufgebracht über eine gewisse Strecke (z.B. 1 Kurbelhub) gibt dann sounsoviel Joule (Arbeit), wenn man das 1x pro Sekunde macht (langsames Treten), dann hat man soundsoviel Watt Leistung.
Der stärkste Bremseffekt ergibt sich, wenn man den Dynamo kurzschließt (maximaler Strom), dann hat man quasi eine Wirbelstrombremse (de.wikipedia.org/wiki/Wirbelstrombremse). Diesen Bremsentyp baut man normalerweise nur mit einer "Windung" auf der Bremsspule, ein Dynamo hat üblicherweise mehrere Windungen, deshalb taugt er nicht sehr gut zum Bremsen.
Ein normaler Fahrradfahrer kann ca. 70W Dauerleistung erbringen (über Stunden). Da sind 3W Lichtleistung nicht sehr viel, aber mit der Effizienz des Dynamos von geschätzt 66% muß man dann doch ca. 4,5W treten, damit das Licht mit 3W (4,5W * 66% = 3W) leuchtet. Merken sollte man das also sehr wohl, wenn man ca. 5% mehr treten muß als ohne Licht.
Diese Angaben habe ich von der Herstellerwebseite (sieh oben). Für den sogenannten "Typenpunkt" des Dynamos gelten seine Nennangaben. Also 6V / 0,5A am Ausgang ergeben 3W Belastung und der Lastwiderstand ist 12 Ohm (siehe erstes Diagramm: "Spannung unter Last" bei 15 km/h). Bei diesem Typenpunkt braucht der Dynamo mechanisch (siehe die zwei Effizienzdiagramme, unten) ca. 1W im Leerlauf und 4,5W unter Last. Demzufolge die oben angegebene Effizienz von "nur" 66%
Wenn man den Unterschied zwischen "Licht an" und "Licht aus" nicht merkt, dann hat man im Leerlauf wohl erhebliche Verluste im Dynamo, hier unterscheiden sich laut der Herstellerwebseite die guten (fast keine Verluste) von den schlechten Dynamos (hohe Verluste auch im Leerlauf).
Testen kann man das ganz einfach:
Man stellt das Rad auf Sattel und Lenker, Licht aus. Dann dreht man das (Vorder-)rad mit Dynamo mit der Hand kräftig an und stoppt mit einer Uhr, wie lange es nachläuft bis es ganz still steht. Das sollte man mehrfach machen, weil man ja nicht imemr gleichmäßig dreht undsoweiter. Aus den Zeiten bildet man den Mittelwert.
Dann schaltet man das Licht an und wiederholt das Experiment, ebenfalls mehrfach.
Die Mittelwerte sollten sich deutlich unterscheiden.
An diesen Werten könnte man noch sehr lustig die "Bremsleistung" in Watt ausrechnen, wenn man das Trägheitsmoment des Rades kennt und die Umdrehungsgeschwindigkeit irgnedwie einigermaßen sinnvoll messen kann. Das wäre ein nette Aufgabenstellung für den Physikunterricht. Vielleicht solltest Du (falls Sohnemann schon soweit ist) den Physiklehrer mal drauf ansprechen. Vielleicht gibt es eine Physik-AG in der Schule ?
Ich bin leider ein schlechter Romanschreiber, wenn das oben gesagt also nicht verständlich sein sollte, dann formuliere ich das gerne nochmal. Ich befürchte, der physikalische Erklärungstext ist mit den vagen Formelreferenzen nicht sehr gut gelungen :(
-Theo