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==Das Potential im elektrischen Stromkreis==
  
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====Übertragung des Drucks im Wasserstromkreis auf den elektrischen Stromkreis====
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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.
  
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==Aufgaben zum elektrischen Energietransport - Leistung==
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====0) Erbsen- und Energietransport====
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Der "[[Elektrischer_Energietransport:_Beladungsmaß_und_Leistung#Versuch:_Kichererbsentransport|Erbsentransport]]" ist ein Modell für den Transport von Energie durch den elektrischen Stromkreis. In jeder Zeile steht das Ergebnis einer Messung.
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*Die Batterie erzeugt hinter sich ein hohes Potential und vor sich ein geringes Potential.
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*Dieser Potentialunterschied treibt den elektrischen Strom an. Die Elektrizität fließt vom hohen Potential zum niedrigen Potential.
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Ergänze die fehlenden Werte.
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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.
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Erbsen-<br>beladung
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Zeit-<br>spanne
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Erbsen-<br>anzahl
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Erbsen-<br>stromstärke
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<math>3\,\rm \frac{E}{P}</math>
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<math>10\,\rm s</math>
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<math>5\,\rm P</math>
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<math>6\,\rm \frac{E}{P}</math>
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<math>20\,\rm s</math>
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<math>0{,5}\,\rm \frac{P}{s}</math>
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<math>60\,\rm s</math>
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<math>2\,\rm \frac{P}{s}</math>
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<math>8\,\rm \frac{E}{s}</math>
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Bei einem [[Elektrischer_Energietransport:_Beladungsmaß_und_Leistung#Das_Potential_als_Energiebeladungsmaß_und_die_elektrische_Leistung|elektrischen Stromkreis]] hat man den Energietransport untersucht, indem die Stromstärke, die Energiestromstärke (Leistung) oder die Spannung (der Potentialunterschied) gemessen wurde. In jeder Zeile steht das Ergebnis einer Messung.  
+
====Messen des Potentialunterschiedes: die Spannung <math>U</math>====
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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!
  
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Ergänze die fehlenden Werte.
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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.  
  
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[[Datei:Stromkreis Spannungsmessung Voltmeter.png|465px]]
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Energie-<br>beladung<br>(Spannung)
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Zeit-<br>spanne
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Ladungs-<br>menge
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Energie-<br>menge
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elektrische-<br>Stromstärke
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Energie-<br>stromstärke<br>(Leistung)
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<math>3\,\rm \frac{J}{C} = 3\,\rm V</math>
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<math>10\,\rm s</math>
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<math>5\,\rm C</math>
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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.
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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").
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<math>6\,\rm \frac{J}{C} = 6\,\rm V</math>
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<math>20\,\rm s</math>
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<math>0{,}5\,\rm \frac{C}{s} = 0{,}5\,\rm A</math>
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<math>60\,\rm s</math>
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<math>2\,\rm \frac{C}{s} = 2\,\rm A</math>
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<math>8\,\rm \frac{J}{s} = 8\,\rm W</math>
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====1) Energiehunger====
 
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Alle Lebewesen und alle Maschinen brauchen Energie.
 
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Ein Mensch braucht ohne jede körperliche Anstrengung etwa 7 MegaJoule Energie am Tag. Das nennt man auch den "Grundumsatz". Bei leichter Anstrengung etwa 10-13 MegaJoule pro Tag. Die genaue Energiemenge hängt vom Körpergewicht, vom Geschlecht und weiteren Faktoren ab.
 
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<br>Körperlich schwer arbeitende Menschen brauchen bis zu 20 MegaJoule pro Tag und Leistungssportler an einzelnen Tagen bis zu 50 MegaJoule Energie pro Tag!
 
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Mit diesem "[https://projekte.uni-hohenheim.de/wwwin140/info/interaktives/energiebed.htm Energiebedarfsrechner]" der Uni Hohenheim kannst du dir deinen persönlichen Energiebedarf berechnen.
 
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*Berechne den Energiebedarf des Menschen in Joule pro Sekunde (Watt) und vergleiche mit diesen Maschinen:
 
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#Laptop: 30 Watt
 
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#Desktop: 120 Watt
 
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#Auto: 83 KiloWatt<ref>Das entspricht einem Verbrauch von 8 Litern Benzin pro 100 km bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h. Damit ist nicht die Leistung gemeint, die zum Antrieb des Autos genutzt wird, sondern die zum Betrieb des Motors benötigt wird. Von der Energie des Benzins werden nur ca. 25% zum Antrieb genutzt, der Rest geht vor allem mit der Abwärme verloren.</ref>
 
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====2) Die Stromrechnung====
 
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[[Datei:Stromrechnung_Ausschnitt.jpg|thumb|Ausschnitt einer Stromrechnung.]]
 
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Das Elektrizitätswerk liefert Energie mit dem elektrischen Strom nach Hause. Dafür läßt sich der Betreiber natürlich bezahlen.
 
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Eine Lampe hat eine Leistung von 11 Watt.
 
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:'''a)''' Wieviel Energie benötigt sie in der Sekunde, in der Minute und in einer Stunde?
 
−
 
−
In der Stromrechnung wird die Energiemenge nicht in Joule, sondern in "KiloWattStunden" (kWh) angegeben. Mit einer KiloWattStunde Energie kann man ein elektrisches Gerät mit einer Leistung von 1000 Watt eine Stunde lang betreiben.
 
−
:'''b)''' Wieviel Joule entspricht einer KiloWattStunde?
 
−
Die für ein Gerät benötigte Energie in KiloWattStunden kann man ganz einfach ausrechnen. Wenn man zum Beispiel ein Staubsauger mit einer Leistung von 1200 Watt 30 Minuten lang betreiben will, rechnet man:
 
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:<math>\text{Energie} = \text{Leistung (in kW)} \cdot \text{Zeit (in h)}</math>
 
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:<math>\text{Energie} = 1{,}2\,\rm kW \cdot 0{,}5\,\rm h = 0{,}6\,\rm kWh</math>
 
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In dieser Tabelle hat Angela aufgeschrieben, welche Geräte sie am Tag wie lange benutzt. Ihr Elektrizitätswerk berechnet ihr 27 Cent pro KiloWattStunde. Berechne für sie ihren jährlichen Energiebedarf und die Kosten.
 
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Gerät
 
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Leistung
 
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−
Zeitdauer
 
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Energiemenge (in kWh)
 
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Kosten (in €)
 
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Waschmaschine<br>([https://www.stromverbrauchinfo.de/stromverbrauch-waschmaschinen.php Genaue Werte hier!])
 
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−
1000 W
 
−
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1 h
 
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
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|-
 
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−
Elektroherd
 
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2500 W
 
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−
1 h
 
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−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Föhn
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1500 W
 
−
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−
15 min
 
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|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
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Radio
 
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−
10 W
 
−
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−
2 h
 
−
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−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Computer
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
80 W
 
−
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−
3 h
 
−
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−
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−
|-
 
−
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−
Einige Lampen
 
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−
40 W
 
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−
3 h
 
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−
|-
 
−
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Fernseher
 
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−
80 W
 
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−
2 h
 
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−
|}
 
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====3) Lampen im Auto und zu Hause====
 
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Neuere LED-Lampen haben zu Hause und in Automobilen Einzug gehalten. Ein 12-Watt-LED-Autoscheinwerfer ist genauso hell wie eine 12-Watt-LED-Lampe zu Hause. Die Elektrik im Auto wird mit einer Spannung von 12 Volt angetrieben, zu Hause beträgt die Netzspannung 230 Volt.
 
−
:Vergleiche die Stromstärken der beiden Lampen.
 
−
 
−
====4) Sicherungen====
 
−
[[Datei:Sicherungskasten.jpg|thumb|120px|Sicherungskasten einer Wohnung]]
 
−
In Wohnungen ist jeder Raum über eine Sicherung an das Stromnetz angeschlossen. Die maximale Stromstärke beträgt häufig 16 Ampère.
 
−
:'''a)''' Welche dieser Geräte kann man ''gleichzeitig'' in der Küche betreiben?
 
−
:# Wasserkocher 2000W
 
−
:# Staubsauger 2400W
 
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:# Radio 20W
 
−
:# Lampe 10W
 
−
:# Mixer 1600W
 
−
[[Datei:Sicherungskasten_Kfz.jpg|thumb|120px||Sicherungskasten eines Autos. Die Sicherungen sind mit der maximalen Stromstärke in Ampère beschriftet.]]
 
−
Auch in Autos sind Sicherungen verbaut, um die Kabel vor Überhitzung zu schützen. Anders als in der Wohnung sind dies einfache Schmelzsicherungen, die bei zu großer Stromstärke einfach durchschmelzen und dann ersetzt werden müssen.
 
−
 
−
Beim Starten wird der Verbrennungsmotor von einem Elektromotor, dem "Anlasser", gedreht. Der Anlasser hat eine Leistung zwischen einem und zwei KiloWatt und bekommt seine Energie aus der Auto-Batterie, die eine Spannung von 12 Volt hat.
 
−
:'''b)''' Der Anlasser ist ohne Sicherung direkt an die Batterie angeschlossen. Warum wohl?
 
−
 
−
====5) Batterien und Akkus als Energiespeicher====
 
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[[Datei:Auto-Starterbatterie.jpg|thumb|Ein Bleiakkumulator für's Auto ("Auto-Batterie")]]
 
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[[Datei:Handyakku_schräg.jpg|thumb|Ein Lithium-Ionen-Akku für's Handy.]]
 
−
Aus Versehen läßt Peter das Licht über Nacht an seinem geparkten Auto an.
 
−
 
−
:'''a)''' Warum kann das zu einem Problem werden?
 
−
An Peters Auto sind zwei Frontscheinwerfer mit je 36 Watt und zwei Rücklichter mit je 18 Watt.
 
−
:'''b)''' Wieviel Strom fließt durch die Lampen und wieviel durch die Batterie?
 
−
Die Frage ist nun, ob am nächsten Morgen die Batterie "leer" ist, also keine Energie mehr enthält.
 
−
 
−
Auf Batterien ist angegeben "wie groß" sie sind. Bei Peters Autobatterie findet sich zum Beispiel die Aufschrift 12V/36Ah. Das bedeutet, dass die Batterie 36 Stunden lang einen Strom der Stärke 1 Ampère antreiben kann. Oder 18 Stunden lang einen Strom der Stärke 2 Ampère:
 
−
:<math>36\,\rm Ah = 36\,\rm h \cdot 1\,\rm A = 18\,\rm h \cdot 2\,\rm A</math>
 
−
 
−
:'''c)''' Wie lange kann man mit dieser Batterie die beiden Scheinwerfer und die Rückleuchten gleichzeitig betreiben?
 
−
:'''d)''' Wieviel Coulomb Ladung hat die Batterie dabei verschoben?
 
−
:'''e)''' Berechne wieviel Energie die Batterie dabei der Lampe geliefert hat. (In Wattstunden und in Joule.)
 
−
 
−
Auf Batterien und Akkus findet man außer der Betriebsspannung auch die Angabe der sogenannten "Kapazität". Diese gibt an, wieviel Ladung die Batterie verschieben kann:
 
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{|
 
−
|1)Smartphone:
 
−
|3,7V / 1300mAh
 
−
|-
 
−
|2) Laptop:
 
−
|10,95V / 7100mAh
 
−
|-
 
−
|3) Bohrschrauber:
 
−
|12V / 1200mAh
 
−
|-
 
−
|4) AA-Mignon:
 
−
|1,2V / 2000mAh
 
−
|-
 
−
|5) älteres Motorrad:
 
−
|6V / 4Ah
 
−
|}
 
−
:'''g)''' Berechne, wieviel Ladung die Batterien anschieben können (in Coulomb) und wieviel Energie dabei transportiert wird (in Wattstunden und Joule).
 
−
Ein Liter Benzin enthält ca. 30 MegaJoule Energie und in den Tank eines Autos passen ca. 50 Liter.
 
−
:'''h)''' Wieviele Laptop-Akkus können den vollen Benzintank ersetzen?
 
−
 
−
====6) Teure und billige Energie====
 
−
Energie kann man mit ganz verschiedenen Energieträgern kaufen. Die Heizung zum Beispiel kann man mit Heizöl, Gas, Holz-Pellets, elektrisch oder mit Fernwärme betreiben. Das Auto bekommt die Energie mit Benzin und eine Taschenlampe mit einer Batterie. Mit welchem Energieträger ist die Energie denn am billigsten?
 
−
{|class="wikitable" style="text-align: center"
 
−
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−
Energieträger
 
−
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Trägermenge
 
−
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Kosten pro Träger
 
−
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Energiebeladung<br>(Heizwert)
 
−
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Kosten pro Energie<br>(in Cent/MJ)
 
−
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Kosten pro Energie<br>(in Cent/kWh)
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Benzin
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1 Liter
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1,30 €
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
30 MJ/l
 
−
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−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Heizöl
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1 Liter
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
0,50 €
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
35 MJ/l
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "| 
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Erdgas<br>(Haushalt)
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1 <math>m^3</math>
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
0,66 €
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
40 <math>\rm MJ/m^3</math>
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Holz-Pellets
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1000 kg
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
230 €
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
14 MJ/kg
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "| 
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
"Strom"
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
100.000 Coulomb
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1,73 €
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
230 J/C
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "| 
 
−
|-
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
Batterie
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
AA-Mignon 2300mAh
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
0,50 €
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
1,5 V
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
−
|}
 
−
 
−
==Fußnoten==
 
−
<references />
 

Aktuelle 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").
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