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==Aufgaben zur Feldstärke==
 
 
{|
 
{|
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|style="vertical-align:top;"|  
+
|height="800px"|
−
;1) Gravitation auf der Erde und auf anderen Himmelskörpern
+
|}
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:a) Wie groß ist die Gravitationsfeldstärke auf der Erde ungefähr?
+
==Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung==
−
:b) Die Gravitationsfeldstärke auf dem Mond beträgt nur <math>1{,}62\,\rm \frac{N}{kg}</math>
+
====Versuch: Eine helle Lampe====
−
::Wie groß ist die auf dich wirkende Kraft auf dem Mond?
+
;Aufbau
−
:c) Ergänze die Tabelle
+
[[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!
  
−
::{|class="wikitable" style="text-align: center;  "
+
;Folgerung
−
!style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
−
Planet
+
  
−
!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
====Versuch: Kichererbsentransport====
−
Feldstärke(N/kg)
+
;Aufbau
 +
[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|400px|left]]
 +
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!
  
−
!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.
−
Masse(kg)
+
<br style="clear: both" />
−
 
+
−
!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
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Kraft(N)
+
  
 +
;Messwerte und Auswertung
 +
In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
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{|class="wikitable" style="text-align: center"
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>beladung
 +
!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
 
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
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Merkur
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<math>2\,\rm \frac{E}{P}</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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.
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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.
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.
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|}
  
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+
Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!
  
−
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.
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80
+
  
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Man bemerkt, dass man die Erbsenstromstärke auch mit Hilfe der Personenstromstärke ausrechnen kann. Dazu muss man nur die Personenstromstärke mit der Beladung multiplizieren!
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296
+
  
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|-
 
  
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Venus   
 
  
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8,87
 
  
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
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75
 
  
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
  
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|-
 
  
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
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Erde 
 
  
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−
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
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12,7
 
  
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
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124
 
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|-
 
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
−
Mars
 
  
−
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
−
3,69
 
  
−
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
 
  
−
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
==Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport==
−
3690
+
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:
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|-
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
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Jupiter   
+
  
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*Die im Kreis laufenden Personen entsprechen der im Kreis fließenden Ladung: <math> \text{1 Person } \widehat{=} \text{ 1 Coulomb}</math>
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*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>
  
−
|style="border-style: solid; border-width: 5px "|
+
Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:
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75
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|style="border-style: solid; border-width: 5px "|  
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{|class="wikitable" style="text-align: center"
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1725
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 +
Energie-<br>beladung
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Zeit-<br>spanne
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Ladungs-<br>menge
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>menge
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
(Ladungs-)<br>Stromstärke
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>stromstärke<br>(Leistung)
 
|-
 
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>12\,\rm V = 12\,\rm \frac{J}{C}</math>
 +
|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 "|
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>230\,\rm V = 230\,\rm \frac{J}{C}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
|}
 
|}
−
|}
 
−
             
 
−
;2) Kraftwirkung im elektrischen Feld
 
−
:Eine positiv geladene Kugel trägt <math>5\,\rm nC</math> Ladung. Welche Kraft wirkt auf die Kugel in einem elektrischen Feld der Stärke <math>10\,\rm \frac{kN}{C}</math>?
 
−
;3) Berechnung der magnetischen Ladung
 
−
:Der Nordpol eines langen Stabmagneten befindet sich in einem Magnetfeld der Stärke <math>80000\,\rm\frac{N}{Wb}</math>. Dort erfährt der Nordpol eine Kraftwirkung von <math>0{,}5\,\rm N</math>. Wieviel magnetische Ladung trägt der Nordpol?
 
  
−
;4) Definition der Feldstärke
+
Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.
−
:Warum ist es bei der Festlegung der Feldstärke als Ortsfaktor wichtig, dass die Größe der wirkenden Kraft proportional zur Menge der Probeladung ist, also bei doppelter Probeladung auch die doppelte Kraftwirkung zu beobachten ist?
+
−
:Warum ist die magnetische Feldstärke nicht mit Hilfe der Definition als Ortsfaktor praktisch messbar?
+
  
−
;5) Tischtennisball im geladenen Kondensator
+
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!
−
:Durch eine vorhergehende Messung kennt man die elektrische Feldstärke in einem Kondensator. Sie beträgt <math>100000\,\rm \frac{N}{C}</math>. Ein Tischtennisball mit der Masse 2,3g wird an eine 30cm lange Schnur in das Feld gehängt und elektrisch geladen. Die Schnur hängt nun nicht mehr senkrecht nach unten, sondern ist um einen Winkel von 4° ausgelenkt.
+
In zwei Sekunden fließen daher 0,5 Coulomb usw.
−
:Welche Ladung trägt der Tischtennisball?
+
  
−
[[Datei:Versuchsaufbau Ladung im Kondensator Beobachtung 1.jpg|thumb|Durch das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten erfährt der geladene Ball eine Kraftwirkung.]]
+
Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.
  
−
;6) Das elektrische Feld der Erde
+
Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.
−
:Durch den Sonnenwind, ein Strom elektrisch geladener Teilchen, und kosmische Strahlung werden negativ geladene Teilchen von der Erde weggeschleudert und die Erde positiv geladen. Bei wolkenlosen Himmel hat das dadurch enstehende elektrische Feld eine Stärke von ca. 200 N/C.
+
−
:Bei Gewittern treten Feldstärken von 30000 N/C auf.
+
−
: Ein kleiner Wassertropfen hat eine Masse von 0,001g. Wie muss der Tropfen geladen sein, damit er bei wolkenlosen Himmel (bei einem Gewitter) in der Luft schweben kann?
+

Aktuelle 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.

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