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==Leere Seite==
 
 
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====Zwei schwingende Wagen====
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==Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung==
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[[Datei:Schwingende_Wagen.jpg|thumb|Die Wagen stehen auf einer Schiene und sind mit einer Feder verbunden.]]
+
====Versuch: Eine helle Lampe====
−
Wenn die Wagen schwingen haben sie zu unterschiedlichen Phasen der Schwingung unterschiedlich viel Impuls. Der Impuls nach rechts soll als positiv gewertet werden.
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;Aufbau
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[[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!
  
−
Ebenso ändert sich die Energiemenge in der Feder und in den Wagen.
+
;Folgerung
 +
Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
  
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*Ergänze in der Tabelle qualitativ die Angaben von Impuls und Energie.
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====Versuch: Kichererbsentransport====
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;Aufbau
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[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|400px|left]]
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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.
 
<br style="clear: both" />  
 
<br style="clear: both" />  
  
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{|class="wikitable"  
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;Messwerte und Auswertung
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!Phase
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In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
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!Bild
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{|class="wikitable" style="text-align: center"
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!colspan="2"|Impuls
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!colspan="2"|Energie
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Erbsen-<br>beladung
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Zeit-<br>spanne
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 +
Personen-<br>anzahl
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
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Erbsen-<br>anzahl
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Personen-<br>stromstärke
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Erbsen-<br>stromstärke
 
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<math>2\,\rm \frac{E}{P}</math>
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|width="100px"|links
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
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|width="100px"|rechts
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
−
|width="100px"|Feder
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
−
|width="100px"|Kugeln
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
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|<math>t=0\,\rm s</math> <br> Ruhelage
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|[[Datei:Schwingung zwei Körper Ruhelage.png|497px]]
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 
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|<math>t=\frac{1}{4} \, T </math> <br> innere Umkehrpunkte
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|[[Datei:Schwingung zwei Körper Umkehrpunkt innen.png|497px]]
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 
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|<math>t=\frac{1}{2}\, T \,\rm s</math> <br>  Ruhelage
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|[[Datei:Schwingung zwei Körper Ruhelage.png|497px]]
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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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|<math>t=\frac{3}{4}\, T  </math> <br> äußere Umkehrpunkte
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
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|[[Datei:Schwingung zwei Körper Umkehrpunkt aussen.png|497px]]
+
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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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|<math>t=T </math> <br> Ruhelage
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|[[Datei:Schwingung zwei Körper Ruhelage.png|497px]]
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====Wasserstoffmolekül====
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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!
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Ein H<sub>2</sub>-Molekül kann man idealisiert als zwei, mit einer Feder verbundene, Körper auffassen. (So wie [[Energie_und_Impuls_einer_mechanischen_Schwingung#Animation|hier]].)
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Durch eine Messung regt man das Molekül zum Schwingen an und bestimmt die Frequenz der Schwingung zu 9,2 10<sup>11</sup> Hz.
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Bestimmen sie die "Federkonstante" der gedachten Feder zwischen den Molekülen.  
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Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.
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Wieviel Energie steckt im Molekül, wenn beide Atome mit einer Amplitude von 10<sup>-10</sup>m schwingen?
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(Fehlende Angaben entnehmen sie dem Buch oder dem www.)
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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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==Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport==
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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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*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>
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*Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: <math> \text{1 Erbse pro Person } \widehat{=} \text{ 1 Joule pro Coulomb} = \text{1 Volt}</math>
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Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:
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{|class="wikitable" style="text-align: center"
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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Energie-<br>beladung
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Zeit-<br>spanne
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Ladungs-<br>menge
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!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)
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|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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<math>12\,\rm V = 12\,\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>
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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>230\,\rm V = 230\,\rm \frac{J}{C}</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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<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|}
  
−
====Molekül-Spektroskopie====
+
Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.  
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Bei der TransmissionsSpektroskopie bestrahlt man ein Gas oder einen anderen Stoff mit einer elektromagnetischen Welle und führt ihm so Energie mit einer bestimmten Frequenz zu. Auf der anderen Seite wird gemessen, wieviel Energie noch ankommt. Die fehlende Energie ist absorbiert oder in eine andere Richtung abgestrahlt worden.
+
  
−
*Bei großen oder langen Molekülen findet man viele Frequenzen, bei denen die Energie nicht auf der anderen Seite ankommt. Bei einem Molekül wie Kohlenmonoxid (CO) nur eine <ref>Das ist etwas vereinfacht, aber es gibt wesentlich weniger Absorptionsfrequenzen.</ref>. Wie kann man das erklären?
+
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.
  
−
*Bei Kohlenmonoxid misst man eine Absorption bei der Frequenz <math>f=6{,}5\cdot 10^{13}\,\rm Hz</math>. Als Modell für das Molekül kann man vereinfachend zwei punktförmige Massen annehmen, die mit einer masselosen Feder verbunden sind. (So wie [[Energie_und_Impuls_einer_mechanischen_Schwingung#Animation|hier]].)
+
Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.
−
:Bestimmen Sie die "Federkonstante" des Moleküls.
+
−
:(Fehlende Angaben finden Sie in Physik- oder Chemiebüchern oder im www.)
+
  
−
==Fußnoten==
+
Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.
−
<references />
+

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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