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==Aufgaben zur Energieübertragung mit einer Kraft==
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==Das Potential im elektrischen Stromkreis==
====1) Hochheben====
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[[Datei:Flaschenzug_5Seile_ohneUmlenkrolle.png|thumb]]
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Michael hebt eine 10kg schwere Kiste auf einen ein Meter hohen Tisch. Maria nimmt sich ein zwei Meter langes Brett und schiebt die Kiste auf einem kleinen Wagen nach oben und Anastasia hebt die Kiste mit einem Flaschenzug hoch (Siehe Bild).
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:'''a)''' Gib an mit welcher Kraft sie jeweils ziehen müssen.
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:'''b)''' Berechne wieviel Energie sie jeweils dazu brauchen.
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====2) Nach Oben====
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====Übertragung des Drucks im Wasserstromkreis auf den elektrischen Stromkreis====
[[File:Schauinsland von Freiburg.jpg|thumb|Schauinsland von Freiburg]]
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Der Druck im Wasserstromkreis entspricht dem elektrischen Potential <math>\varphi</math>. Es wird in Volt (nach [https://de.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta Alessandro Volta] 1745-1827) gemessen.
Um auf den Schauinsland zu kommen, muss man ca. 1000 Höhenmeter überwinden. Wieviel Energie ist wohl dazu nötig? Reicht es, wenn du ein trockenes Brötchen isst? Das enthält ungefähr 1000kJ (=1000000J) Energie.
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:'''a)''' Berechne wieviel Energie braucht man braucht, um dich 1000m hochzuheben.
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Die Energie des Brötchens wird nur zu 1/4 genutzt. Die restlichen 3/4 der Energie werden benutzt, um deinen Körper zu erwärmen.
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:'''b)''' Berechne wieviele Brötchen du essen musst, um auf den Schauinsland steigen.
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<br style="clear: both" />
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====3) Zange====
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{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
[[Datei:Zange.jpg|thumb]]
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Bei einer Kneifzange ist die Schneide ca. 1,5 cm vom Gelenk entfernt und der Griff ca. 9cm. Drückt man den Griff um 6mm zusammen, so bewegt sich die Schneide nur um 1mm. Um einen Draht durchzuschneiden ist am Griff eine Kraft von 75 Newton nötig.  
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*Die Batterie erzeugt hinter sich ein hohes Potential und vor sich ein geringes Potential.
:'''a)''' Gib an mit welcher Kraft die Schneide auf den Draht drückt.
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*Dieser Potentialunterschied treibt den elektrischen Strom an. Die Elektrizität fließt vom hohen Potential zum niedrigen Potential.
:'''b)''' Erkläre was für einen Vorteil bietet den Draht möglichst weit in die Schneide hineinzuschieben und den Griff möglichst weit Außen zu Fassen.
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*Bei einer Verzweigung ändert sich das Potential nie!
 
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*Bei einem Lämpchen (oder einem anderem Widerstand) kann das Potential abfallen.
====4) Fahrrad fahren====
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[[Datei:FahrradfahrerIn_mit_Kurbelweg.png|thumb|400px|Der Weg einer Kurbelumdrehung beträgt 1m bei 2m Fahrtweg.]]
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Wenn Amanda in den kleinsten Gang schaltet, so fährt sie bei einer Kurbelumdrehung zwei Meter. <br>Bei einer Kurbelumdrehung legt das Pedal aber nur einen Meter Wegstrecke zurück. Amanda tritt mit einer Kraft von 50N auf das Pedal.
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:'''a)''' Berechne wieviel Energie Amanda für eine Kurbelumdrehung braucht und wieviel für 100 Meter Weg.
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:'''b)''' Gib an mit welcher Kraft sich das Hinterrad von der Straße abdrückt.
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Schaltet sie in den größten Gang kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit. Die Kraft zwischen Hinterrad und Straße soll gleich bleiben.
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:'''c)''' Erläutere, ob Amanda nun fester oder weniger fest auf das Pedal drücken muss und berechne mit welcher Kraft sie nun auf das Pedal drücken muss.
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====5) Fahrrad fahren II====
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====Messen des Potentialunterschiedes: die Spannung <math>U</math>====
Amanda sitzt auf ihrem Rad und mit 10 km/h zu fahren wird sie von Peter mit 12 Newton angeschoben.
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Wie misst man das Potential an einer Stelle eines Stromkreises? Verbindet man mit einem Kabel ein sogenanntes Voltmeter mit der Stelle, so passiert nichts! Man benötigt auch noch ein zweites Kabel. Das Voltmeter kann nämlich nur Potential''unterschiede'' zwischen zwei Stellen messen!
<br/>Dann schiebt Peter nicht mehr und Amanda muss nun selbst treten, um mit dieser Geschwindigkeit weiter zu fahren.
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Wenn Amanda in den kleinsten Gang schaltet, so fährt sie bei einer Kurbelumdrehung zwei Meter. Schaltet sie in den größten Gang, so kommt sie bei einer Kurbelumdrehung 6 Meter weit. Bei einer Kurbelumdrehung legt das Pedal einen Meter Wegstrecke zurück.
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Deswegen legt man das Potential einer beliebigen Stelle als neutral, also  <math>0\,\rm V</math> , fest. An diese Stelle wird eines der beiden Kabel gesteckt. Steckt man das andere Kabel an eine andere Stelle, so zeigt das Voltmeter den Unterschied zu  <math>0\,\rm V</math> , also das dortige Potential, an.  
  
:'''a)''' Berechne wieviel Energie Peter braucht, um Amanda 100 Meter weit zu schieben.
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[[Datei:Stromkreis Spannungsmessung Voltmeter.png|465px]]
:'''b)''' Bestimme wieviel Energie Amanda braucht, um 100 Meter weit zu fahren.
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:'''c)''' Mit welcher Kraft muss Amanda beim Fahren im kleinsten und im größten Gang gegen das Pedal drücken?
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====6) Laufen====
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{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
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|style="vertical-align:top;"| Beim Laufen ist auch deswegen Energie nötig, weil man sich bei jedem Schritt leicht anhebt.
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*Ein Voltmeter kann nur den Potentialunterschied <math>\Delta \varphi</math> messen. Er heißt "Spannung" (<math>U</math>) und wird auch in Volt gemessen.
:'''a)''' Laufe an der Tafel mit einer Kreide entlang und entnehme der daraus entstandenen Linie, um welche Höhe du dich bei jedem Schritt anhebst.
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*Das Potential <math>0\,\rm V</math> kann man an eine beliebige Stelle legen. Meistens ist es der Minuspol ("Masse" oder "Erde").
:'''b)''' Wieviel Energie ist dafür bei jedem Schritt nötig?
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:'''c)''' Wie weit kannst du nach dieser Rechnung mit der Energie einer Tafel Schokolade von ca. 2000 KiloJoule laufen? Der Körper kann allerdings nur ca. 1/4 der Energie auch auf die Bewegung umladen!
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|style="vertical-align:top;"| [[File:Gehender Mann ein Gewicht tragend 1885.jpg|thumb|Étienne-Jules Marey: Gehender Mann ein Gewicht tragend, 1885]]
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|style="vertical-align:top;"| [[File:Laufen (2) 1883.jpg|thumb|Laufen (2), 1883]]
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Version vom 9. April 2025, 07:28 Uhr

Das Potential im elektrischen Stromkreis

Übertragung des Drucks im Wasserstromkreis auf den elektrischen Stromkreis

Der Druck im Wasserstromkreis entspricht dem elektrischen Potential φ. Es wird in Volt (nach Alessandro Volta 1745-1827) gemessen.

  • Die Batterie erzeugt hinter sich ein hohes Potential und vor sich ein geringes Potential.
  • Dieser Potentialunterschied treibt den elektrischen Strom an. Die Elektrizität fließt vom hohen Potential zum niedrigen Potential.
  • Bei einer Verzweigung ändert sich das Potential nie!
  • Bei einem Lämpchen (oder einem anderem Widerstand) kann das Potential abfallen.

Messen des Potentialunterschiedes: die Spannung U

Wie misst man das Potential an einer Stelle eines Stromkreises? Verbindet man mit einem Kabel ein sogenanntes Voltmeter mit der Stelle, so passiert nichts! Man benötigt auch noch ein zweites Kabel. Das Voltmeter kann nämlich nur Potentialunterschiede zwischen zwei Stellen messen!

Deswegen legt man das Potential einer beliebigen Stelle als neutral, also 0V , fest. An diese Stelle wird eines der beiden Kabel gesteckt. Steckt man das andere Kabel an eine andere Stelle, so zeigt das Voltmeter den Unterschied zu 0V , also das dortige Potential, an.

Stromkreis Spannungsmessung Voltmeter.png

  • Ein Voltmeter kann nur den Potentialunterschied Δφ messen. Er heißt "Spannung" (U) und wird auch in Volt gemessen.
  • Das Potential 0V kann man an eine beliebige Stelle legen. Meistens ist es der Minuspol ("Masse" oder "Erde").