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__NOTOC__
 
__NOTOC__
==Leere Seite==
 
 
{|
 
{|
|height="1100px"|
+
|height="800px"|
 
|}
 
|}
 +
==Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung==
 +
====Versuch: Eine helle Lampe====
 +
;Aufbau
 +
[[Datei:Stromkreis_Versuch_zwei_Lampen_Potential_als_Energiebeladungsmaß.jpg|thumb|Die linke Lampe ist an ein Netzgerät angeschlossen, die rechte über einen Schalter an die Steckdose.]]
 +
Eine 60W-Glühbirne ist an der Steckdose angeschlossen, die andere (12V/250mA) wird mit einem Netzgerät betrieben. Bei beiden Lampen wird die Stromstärke gemessen.
 +
;Beobachtung
 +
Durch beide Lampen fließt der gleiche Strom mit einer Stärke von ca. 0,25 Ampère, aber die an der Steckdose angeschlossene Lampe ist viel heller!
  
=Aufgaben zur Energie=
+
;Folgerung
==Energie und Energieträger==
+
Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
  
{|class="wikitable" style="float:right;"
+
====Versuch: Kichererbsentransport====
!
+
;Aufbau
Energieträger
+
[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|400px|left]]
! colspan="2" "|
+
In einer Kiste auf einer Seite des Raumes befinden sich Erbsen. (Man kann auch Streichhölzer nehmen.) Die Erbsen sollen in eine noch leere Kiste auf der anderen Seite transportiert werden. Aber jede Person darf nur zwei Erbsen nehmen!
Name der Energieform
+
|-
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+
Holz
+
|colspan="2"|chemische Energie
+
|-
+
|
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heißes Wasser
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|colspan="2"|Wärmeenergie
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|-
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|
+
geriebener Luftballon
+
|colspan="2"|elektrische Energie
+
|-
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|
+
Licht
+
|colspan="2"|Lichtenergie<ref>Das Licht selbst besteht nicht aus Energie, es enthält die Energie! Was das Licht selbst ist, kann man nicht so einfach beantworten.</ref>
+
|-
+
|
+
laufender Mensch
+
|Bewegungsenergie
+
|rowspan="3"|mechanische Energie
+
|-
+
|
+
[[Media:Luftballon Druecken.jpg|zusammengedrückter Luftballon]]
+
|Spannenergie
+
|-
+
|
+
hochgelegenes Wasser in einem Stausee
+
|Lageenergie
+
|}
+
  
 
+
Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.
'''1)''' Eine Batterie ist ein Energieträger. Denn in der Batterie steckt Energie, mit der man einen Motor antreiben kann.
+
*Nenne drei weitere Gegenstände, die auch Energieträger sind und sage, was man mit dieser Energie machen kann.
+
 
+
'''2)''' Die Tabelle zeigt, welche verschiedenen Namen man der Energie verschiedener Träger gegeben hat.
+
*Nenne für jede Energieform ein ''anderes'' Beispiel:
+
:"Der Wind, also Luft, die sich schnell bewegt, enthält Bewegungsenergie."
+
 
<br style="clear: both" />  
 
<br style="clear: both" />  
  
{|class="wikitable" style="text-align: right; float:right; "
+
;Messwerte und Auswertung
!style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
Gegenstand
+
{|class="wikitable" style="text-align: center"
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
!style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Erbsen-<br>beladung
Energiemenge in Joule
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
+
Zeit-<br>spanne
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 +
Personen-<br>anzahl
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>anzahl
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 +
Personen-<br>stromstärke
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>stromstärke
 
|-
 
|-
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
Sonnenlicht auf einen m<sup>2</sup> für eine Sekunde
+
<math>2\,\rm \frac{E}{P}</math>
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
1.300 J
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
|-
 
|-
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
ein Liter Benzin
+
.
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
30.000.000 J
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
|-
 
|-
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
Akku eines E-Autos<ref>Siehe Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Tesla_Model_3#Batterietechnik Tesla Model 3]</ref>
+
.
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
180.000.000 J
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
|-
 
|-
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
aufgepumpter Fahrradreifen
+
.
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
600 J
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
|-
 
|-
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
Schulranzen auf einem ein Meter hohen Tisch
+
.
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
100 J
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
|-
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Ein Liter kochendes Wasser<ref>Im Vergleich zu Zimmertemperatur bei 20°C.</ref>
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
300.000 J
+
 
+
|-
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
Fahrradfahrerin mit 30 km/h
+
 
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
3.000 J
+
|-
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
+
eine Tafel Schokolade
+
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
2.000.000 J
+
 
+
 
|}
 
|}
  
 +
Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!
  
'''3)''' Aus der Tabelle kann man ablesen:
+
Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.
:"Mit der Energie von 38 Stunden Sonnenlicht auf einen Quadratmeter kann man den Akku eines E-Autos aufladen."
+
*Bilde drei weitere Sätze in dieser Art.
+
<br style="clear: both" />
+
  
==Energiewandler / Energieumlader==
+
Man bemerkt, dass man die Erbsenstromstärke auch mit Hilfe der Personenstromstärke ausrechnen kann. Dazu muss man nur die Personenstromstärke mit der Beladung multiplizieren!
  
[[Datei:Aufgaben_Energieumlader.png|399px|right]]
 
'''1) Energie für Maschinen'''
 
  
Ein Automotor bekommt mit dem Benzin seine Energie und setzt damit das Auto in Bewegung. Der Motor wird dabei auch sehr heiss. Der Motor lädt die Energie vom Benzin auf die Bewegung des Autos und auf den heissen Motor um. 
 
:'''a)''' Trage in die Energieumladerdiagramme die passenden Energieträger oder den Namen des Umladers ein!
 
:'''b)''' Wie kann man Energie von Licht auf Bewegung umladen? Zeichne dazu zwei geeignete Energieumlader hintereinander.
 
<br style="clear: both" />
 
  
[[Datei:Aufgabe_Energie_für_Mensch_und_Tier.png|435px|right]]
 
'''2) Energie für den Menschen'''
 
  
Mit welchen Energieträgern bekommen der Mensch, eine Kuh, eine Graspflanze und eine Weizenpflanze ihre Energie? In welche Träger wird die Energie hineingesteckt?
 
*Trage die Begriffe in die Diagramme unter die Pfeile ein!
 
  
Brot/Fleisch   Grashalme
 
Muskelmasse&Fett&Milch
 
Muskelmasse&Fett&Milch 
 
Kot&Urin          Kot&Urin
 
Wärme           Wärme
 
Grashalme   Weizenkörner
 
Bewegung          Bewegung
 
Licht           Licht
 
  
*Zeichne eine Energieumladerkette für einen Menschen, der nur Fleisch isst und einen Menschen, der nur Brot ist. Wo kommt schlußendlich die Energie für den Menschen her?
 
<br style="clear: both" />
 
  
'''3) Viele verschiedene Energieumlader'''
 
  
In [[Media: Energieumlader-Tabelle_teilausgefüllt_als_Aufgabe.pdf|dieser Tabelle]] sind viele Energieumlader aufgeführt. Auf der linken Seite sieht man, mit welchem Träger sie ihre Energie bekommen und oben kann man ablesen, mit welchem Träger sie die Energie wieder abgeben. Ein Baum bekommt seine Energie mit dem Licht und speichert sie in seinem Holz. Ein Ofen wiederum kann seine Energie mit Holz bekommen und sie mit der warmen Luft wieder abgeben.
 
  
*Ergänze die farbig markierten Lücken mit geeigneten Energieumladern.
 
  
'''4) Energieumladerketten'''
 
  
Die Energieumladerketten sind durcheinandergeraten! Schneide die Einzelteile aus und bringe sie in die richtige Reihenfolge.
 
  
'''a)''' Ein "Flummi" wird vom Boden aufgehoben und losgelassen. Er fällt, hüpft wieder hoch, er fällt und hüpft wieder hoch, usw.
 
  
[[Datei:Aufgabe elastischer Ball Energieumladerkette durcheinander.png|705px]]
+
==Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport==
 +
Mit Hilfe des Erbsentransportes können wir erklären, warum die Lampen so unterschiedlich hell leuchten. Dazu vergleichen wir den Erbsentransport durch Personen mit dem Energietransport durch die elektrische Ladung:
  
'''b)''' Eine Kugel aus Knete wird hochgehoben und fallengelassen. Sie fällt auf den Boden und bleibt dort liegen. Danach hat die Kugel auf der Unterseite eine Delle.
+
*Die im Kreis laufenden Personen entsprechen der im Kreis fließenden Ladung: <math> \text{1 Person } \widehat{=} \text{ 1 Coulomb}</math>
 +
*Die transportierten Erbsen entsprechen der transportierten Energie: <math> \text{1 Erbse } \widehat{=} \text{ 1 Joule}</math>
 +
*Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: <math> \text{1 Erbse pro Person } \widehat{=} \text{ 1 Joule pro Coulomb} = \text{1 Volt}</math>
  
[[Datei:Aufgabe Knetball Energieumladerkette durcheinander.png|509px]]
+
Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:
  
[[Datei:Pfeil_und_Bogen_Bogenschützen.jpg|thumb|100px]]
+
{|class="wikitable" style="text-align: center"
[[Datei:Zielscheibe.jpg|thumb|100px]]
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
'''c)''' Man spannt den Bogen und läßt die Sehne los. Der Pfeil fliegt davon und bleibt in der Zielscheibe stecken.
+
Energie-<br>beladung
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
[[Datei:Aufgabe Pfeil und Bogen Energieumladerkette durcheinander.png|500px]]
+
Zeit-<br>spanne
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
'''d)''' Der "Grashüpfer" wird auf den Tisch gedrückt, der Saugnapf hält ihn fest. Kurze Zeit später springt er hoch, fällt wieder runter und bleibt auf dem Tisch liegen.
+
Ladungs-<br>menge
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
[[Datei:Aufgabe Grashüpfer Energieumladerkette durcheinander.png|727px]]
+
Energie-<br>menge
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
==Energieverluste und Wirkungsgrad==
+
(Ladungs-)<br>Stromstärke
'''1)''' "Ein Automotor hat einen Wirkungsgrad von ca. <math>1/3 \approx 33 \%</math>."
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
:Was ist damit gemeint?
+
Energie-<br>stromstärke<br>(Leistung)
 
+
|-
{|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
|style="vertical-align:top;"|  
+
<math>12\,\rm V = 12\,\rm \frac{J}{C}</math>
'''2)''' In diesem Energieflussdiagramm ist der Weg der Energie bei einem Kohlekraftwerk dargestellt.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
:'''a)''' Wie geht die meiste Energie der Kohle "verloren"?
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
:'''b)''' Welchen Wirkungsgrad hat das Kohlekraftwerk ohne Energietransport zum Verbraucher und mit Transport zum Verbraucher?
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
:'''c)''' Bei einem Kraftwerk mit "Kraft-Wärme-Kopplung" werden die umliegenden Gebäude durch die Wärme des Kraftwerks geheizt und mit warmem Wasser versorgt. Durch große Rohre wird diese "Fernwärme" bis in die Häuser geleitet. Kleinere Anlagen werden auch "Blockheizkraftwerk" genannt.
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
:Erkläre was der Vorteil der "Kraft-Wärme-Kopplung" gegenüber einem normalen Kraftwerk ist. Warum macht es einen Unterschied, ob es Sommer oder Winter ist?
+
<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
[[Datei:Energieflussbild Kohlekraftwerk.png|369px]]
+
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>230\,\rm V = 230\,\rm \frac{J}{C}</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
|}
 
|}
'''3)''' Werden viele Energieumlader zu einer Kette geschaltet, so berechnet sich der Gesamt-Wirkungsgrad, indem man alle einzelnen Wirkungsgrade multipliziert. ([[Energieverluste_und_der_Wirkungsgrad_von_Energiewandlern#Wirkungsgrad|Tabelle von Wirkungsgraden]])
 
<br/>Fährt zum Beispiel ein Mensch Fahrrad, der vorher ein Brot gegessen hat, so wird die Energie zuerst von der Weizenpflanze von Licht auf das Weizenkorn umgeladen. Der Mensch lädt die Energie des Korns auf die Bewegung um:
 
 
[[Datei:Energieumladerkette_Vegetarier.png|514px]]
 
:<math> 35\% \cdot 30\% = 0{,}35 \cdot 0{,}3 = 0{,}105 =10{,}5 \%</math>
 
Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen.
 
 
'''a)''' Berechne den Gesamt-Wirkungsgrad von:
 
#einer Glühlampe, die von einem Kohlekraftwerk betrieben wird.
 
#der Energieumladerkette der Dampfmaschine: Dampfmotor > Generator > Glühlampe.
 
 
'''b)''' Vergleiche den Wirkungsgrad von:
 
#einem Benzinauto mit einem Elektroauto, das den Akku mit einem Kohlekraftwerk lädt.
 
#einer Gasheizung mit einer Elektroheizung, die von einem Kohlekraftwerk angetrieben wird.
 
 
==Energie im Haushalt==
 
'''1) Energie sparen im Haushalt'''
 
 
In einem Haushalt braucht man Energie für die vielen elektrischen Geräte, wie Waschmaschine, Lampen, Computer,... und für die Heizung, das warme Wasser und für das Auto.
 
 
*Zeichne ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wofür ein durchschnittlicher Haushalt viel Energie benötigt und wofür weniger. (Infos im Artikel: [https://www.ndr.de/ratgeber/klimawandel/CO2-Ausstoss-in-Deutschland-Sektoren,kohlendioxid146.html Energiebedarf in Deutschland])
 
 
 
 
 
'''2) Energiemengen und Kosten berechnen'''
 
 
Peters Schreibtischlampe hat eine Leistung von 20 Watt. Er schaltet sie am Tag ca. 2 Stunden an. Für eine Kilowattstunde Energie verlangt sein Stromanbieter 25 Cent.
 
 
*Wieviel Energie benötigt man um die Lampe eine Sekunde, eine Minute oder eine Stunde anzuschalten?
 
*Was kostet Peter die Schreibtischlampe pro Monat und pro Jahr?
 
 
 
'''3) Verschiedene Lichtquellen'''
 
  
Herbert mag das Licht von Energiesparlampen nicht und beleuchtet sein Wohnzimmer deshalb mit einer Glühlampe. Andrea hat sich dagegen für die gesamte Wohnung Energiesparlampen zugelegt, während Maria sich für LED-Lampen entschieden hat.
+
Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.  
  
*Vergleiche die verschiedenen Lampentypen bezüglich Energiebedarf, Wärmeentwicklung und Lebensdauer.  
+
Wählt man als Zeitdauer eine Sekunde, ist es einfach die geflossene Ladungsmenge zu bestimmen, denn bei einer Stromstärke von 0,25 Ampère fließen ja gerade 0,25 Coulomb pro Sekunde!
 +
In zwei Sekunden fließen daher 0,5 Coulomb usw.
  
Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90%
+
Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.
*Was ist damit gemeint?
+
  
==Fußnoten==
+
Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.
<references />
+

Version vom 30. April 2025, 12:19 Uhr

Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung

Versuch: Eine helle Lampe

Aufbau
Die linke Lampe ist an ein Netzgerät angeschlossen, die rechte über einen Schalter an die Steckdose.

Eine 60W-Glühbirne ist an der Steckdose angeschlossen, die andere (12V/250mA) wird mit einem Netzgerät betrieben. Bei beiden Lampen wird die Stromstärke gemessen.

Beobachtung

Durch beide Lampen fließt der gleiche Strom mit einer Stärke von ca. 0,25 Ampère, aber die an der Steckdose angeschlossene Lampe ist viel heller!

Folgerung

Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!

Versuch: Kichererbsentransport

Aufbau
Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png

In einer Kiste auf einer Seite des Raumes befinden sich Erbsen. (Man kann auch Streichhölzer nehmen.) Die Erbsen sollen in eine noch leere Kiste auf der anderen Seite transportiert werden. Aber jede Person darf nur zwei Erbsen nehmen!

Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.

Messwerte und Auswertung

In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:

Erbsen-
beladung

Zeit-
spanne

Personen-
anzahl

Erbsen-
anzahl

Personen-
stromstärke

Erbsen-
stromstärke

2EP

.

.

.

.

Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!

Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.

Man bemerkt, dass man die Erbsenstromstärke auch mit Hilfe der Personenstromstärke ausrechnen kann. Dazu muss man nur die Personenstromstärke mit der Beladung multiplizieren!







Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport

Mit Hilfe des Erbsentransportes können wir erklären, warum die Lampen so unterschiedlich hell leuchten. Dazu vergleichen wir den Erbsentransport durch Personen mit dem Energietransport durch die elektrische Ladung:

  • Die im Kreis laufenden Personen entsprechen der im Kreis fließenden Ladung: 1 Person ˆ= 1 Coulomb
  • Die transportierten Erbsen entsprechen der transportierten Energie: 1 Erbse ˆ= 1 Joule
  • Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: 1 Erbse pro Person ˆ= 1 Joule pro Coulomb=1 Volt

Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:

Energie-
beladung

Zeit-
spanne

Ladungs-
menge

Energie-
menge

(Ladungs-)
Stromstärke

Energie-
stromstärke
(Leistung)

12V=12JC

0,25A=0,25Cs

230V=230JC

0,25A=0,25Cs

Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.

Wählt man als Zeitdauer eine Sekunde, ist es einfach die geflossene Ladungsmenge zu bestimmen, denn bei einer Stromstärke von 0,25 Ampère fließen ja gerade 0,25 Coulomb pro Sekunde! In zwei Sekunden fließen daher 0,5 Coulomb usw.

Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.

Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.