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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

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
$2\,\rm \frac{E}{P}$
.
.
.
.

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: $\text{1 Person } \widehat{=} \text{ 1 Coulomb}$
Die transportierten Erbsen entsprechen der transportierten Energie: $\text{1 Erbse } \widehat{=} \text{ 1 Joule}$
Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: $\text{1 Erbse pro Person } \widehat{=} \text{ 1 Joule pro Coulomb} = \text{1 Volt}$

Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:

Energie- beladung	Zeit- spanne	Ladungs- menge	Energie- menge	(Ladungs-) Stromstärke	Energie- stromstärke (Leistung)
$12\,\rm V = 12\,\rm \frac{J}{C}$				$0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}$
$230\,\rm V = 230\,\rm \frac{J}{C}$				$0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}$

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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 __NOTOC__
-==Praktikum: Äquipotentialflächen messen==
+{|
-===Arbeitsauftrag===
+|height="800px"|
-[[Datei:Praktikum_Äquipotentiallinien_Kondensator.jpg|thumb|Als "Kondensatorplatten" kann man auch zwei kurze Stativstangen nehmen.]]
+|}
-*Zeichnen Sie für einen Kondensator und einen elektrischen Dipol die Äquipotentialflächen (Linien) für 0V, 1V, ... ,9V, 10V.
+==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!
-*Erstellen Sie jeweils ein Diagramm des Potentials und der Feldstärke über den Ort.
+;Folgerung
-:Beim Kondensator auf der Symmetrieachse senkrecht zu den "Platten", beim Dipol auf der Verbindungslinie zwischen den Polen.
+Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
-*Berechnen Sie für den Kondensator und den Dipol die elektrische Feldstärke an einer selbst ausgewählten und auf dem Papier markierten  Stelle. Bestimmen Sie die Kraft, die dort auf ein Elektron wirkt.
+====Versuch: Kichererbsentransport====
-;Material
-:Netzgerät, Kroko-Kabel,  eckige Tonnenfüße, 200g-Gewichte, feuchtes Papier, Multimeter mit Messkabel
 ;Aufbau
-:Das Papier vollständig nass machen und etwas abtropfen lassen. Es ist wichtig, dass es während der Messung gleichmäßig feucht ist. Angetrocknete Stellen verfälschen das Ergebnis!
+[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|400px|left]]
-:Der Kondensator wird aus vier eckigen Standfüßen gebaut, der Dipol aus zwei 200g-Gewichten.
+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!
-:Mit zwei Kroko-Kabeln werden die Pole an das Netzgerät angeschlossen. Den Minuspol legt man als 0V fest ("Erde")
-:Mit dem Multimeter die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen Minuspol und einer Stelle auf dem Papier messen und Orte gleichen Potentials z.B. 4V auf dem Papier markieren.
+Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.
-:Die Spannung am Netzteil wird so geregelt, dass der Pluspol auf dem Potential von 10V liegt (am Papier gemessen!).
+<br style="clear: both" />
-<br style="clear: both" />
+;Messwerte und Auswertung
+In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
+{|class="wikitable" style="text-align: center"
+!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
+|-
+|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
+<math>2\,\rm \frac{E}{P}</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 "|
+|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 "|
+|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 "|
+.
+|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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+.
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+|-
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+.
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+|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
+|}
+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: <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>
+Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:
+{|class="wikitable" style="text-align: center"
+!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
+Energie-<br>beladung
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+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
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+(Ladungs-)<br>Stromstärke
+!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
+Energie-<br>stromstärke<br>(Leistung)
+|-
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+<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
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+|-
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+<math>230\,\rm V = 230\,\rm \frac{J}{C}</math>
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+|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
+|}
+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.

*: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 30. April 2025, 12:19 Uhr

Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung

Versuch: Eine helle Lampe

Versuch: Kichererbsentransport

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