*: Unterschied zwischen den Versionen

Aus Schulphysikwiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
 
(24 dazwischenliegende Versionen des gleichen Benutzers werden nicht angezeigt)
Zeile 1: Zeile 1:
 
__NOTOC__
 
__NOTOC__
 
{|
 
{|
−
|height="1200px"|
+
|height="800px"|
 
|}
 
|}
−
<gallery widths=180px heights=130px  perrow=4>
+
==Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung==
−
Bild:Löschschlauch_Jugendfeuerwehr.jpg|Durch den Schlauch fließen 100 Liter pro Minute!
+
====Versuch: Eine helle Lampe====
−
Bild:Autobahn Verkehrsfluss.jpg|Hier fahren ca. 2000 Autos pro Stunde vorbei.
+
;Aufbau
−
Bild:Soaring teapot fountain temple city.jpg|Und ewig fließt das Wasser... <br /> ([https://www.youtube.com/watch?v=L4ctY6O0N1o Video der Teekanne].)
+
[[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.]]
−
</gallery>
+
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!
  
−
===Versuch: Wasserstromstärke eines Wasserhahns===
+
;Folgerung
−
;Aufbau:
+
Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
−
 
+
−
Der Wasserhahn wird voll aufgedreht und ein Messzylinder mit zwei Litern Wasser gefüllt. Mit mehreren Stoppuhren wird gemessen wie lange das dauert.
+
−
 
+
−
;Messung:
+
−
Wassermenge: 2l
+
−
Zeitdauer: 9,87s 10,32s 9,94s 10,12s 10,23s
+
−
 
+
−
;Auswertung
+
−
 
+
−
Mittelwert der Zeitdauer: <math>10,096\,\rm s</math>
+
−
:<math>\text{Stromstärke}=\frac{\text{Wassermenge}}{\text{Zeitdauer}} = \frac{2\,\rm l}{10{,}096\,\rm s}=0{,}198\rm\frac{l}{s}</math>
+
−
Statt in Litern pro Sekunde kann man die Stromstärke auch in Millilitern pro Sekunde angeben:
+
−
:<math> I = \frac{2000\,\rm l}{10{,}096\,\rm s} = 198\rm\frac{ml}{s} \ \ \ \ \ \text{ }</math> In einer Sekunde kann man also ungefähr ein Wasserglas füllen.
+
−
 
+
−
Die Stromstärke kann man auch in Litern pro Minute angeben. Das ist der 60-fache Zahlenwert von der Angabe in Litern pro Sekunde.
+
−
 
+
−
Oder in Millilitern pro Minute. Dazu mulipliziert man die Maßzahl noch mit 1000:
+
−
:<math> I = 0{,}198\rm\frac{l}{s} = 11{,}89\rm\frac{l}{min} = 11890\rm\frac{ml}{min} </math>
+
−
 
+
−
===Versuch: "Menschenstromstärke"===
+
−
;Aufbau:
+
−
 
+
−
Eine Schulklasse läuft im Kreis um eine Tischreihe. An einer Stelle des Kreises stehn zwei Schüler:innen und zählen dort 10 Sekunden lang wieviele Personen vorbeilaufen. Eine dritte Schüler:in stoppt mit einer Handstoppuhr die Zeit.
+
−
:'''a)''' Die Klasse läuft gemächlich im "Gänsemarsch".
+
−
:'''b)''' Die Klasse läuft gemächlich in Zweierreihen.
+
−
:'''c)''' Die Klasse läuft zügig in Zweierreihen.
+
−
 
+
−
;Messung
+
−
:'''a)''' 7 Personen in 10 Sekunden
+
−
:'''b)''' 13 Personen in 10 Sekunden
+
−
:'''c)''' 22 Personen in 10 Sekunden
+
−
 
+
−
;Auswertung
+
−
:'''a)''' <math>I_{Pers}= \frac{7\,\rm Pers}{10\,\rm s} = 0{,}7\,\rm\frac{Pers}{s}</math>
+
−
:'''b)''' <math>I_{Pers}= \frac{13\,\rm Pers}{10\,\rm s} = 1{,}3\,\rm\frac{Pers}{s}</math>
+
−
:'''c)''' <math>I_{Pers}= \frac{22\,\rm Pers}{10\,\rm s} = 2{,}2\,\rm\frac{Pers}{s}</math>
+
−
<br>Die Menschenstromstärke hat sich durch die Zweierreihe im Vergleich zur Einerreihe ungefähr verdoppelt, was ja auch logisch ist, denn es laufen zwei Personen nebeneinander.
+
−
<br>Auch durch die größere Laufgeschwindigkeit passieren mehr Personen pro Zeit die Zählstelle und somit erhöht sich die Stromstärke.
+
−
 
+
−
{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
+
−
|
+
−
Die Menschenstromstärke gibt an, wieviele Personen pro Sekunde im Mittel an der Zählstelle vorbeilaufen.
+
−
<br>Eine große Stromstärke erreicht man, indem viele Personen nebeneinander laufen und indem die Personen schnell laufen.
+
−
|}
+
  
−
===Versuch: Messen der Stromstärke===
+
====Versuch: Kichererbsentransport====
 
;Aufbau
 
;Aufbau
−
[[Bild:Versuch Messung der Stromstärke Aufbau.png|thumb|none]]
+
[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|400px|left]]
−
Drei Lämpchen sind in einem verzweigten Stromkreis eingebaut.
+
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!
−
<br style="clear: both" />
+
−
 
+
−
;Beobachtung
+
−
Das Lämpchen 1 leuchtet wesentlich heller als die Lämpchen 2 und 3.
+
−
 
+
−
;Folgerung und Messung
+
−
[[Bild:Versuch Messung der Stromstärke Aufbau Amperemeter.png|thumb|left|Dieses Ampèremeter misst wieviel Strom vor Lämpchen 1 fließt.]]
+
−
Durch das Lämpchen 1 fließt mehr Strom als durch die Lämpchen 2 und 3. Mit einem Stromstärkemessgerät ("Ampèremeter") soll das nun gemessen werden:
+
−
 
+
−
Um die Stärke des Stroms an einer bestimmten Stelle zu messen, muss der Stromkreis an dieser Stelle unterbrochen werden. Dabei geht dann auch das Lämpchen aus.
+
  
−
Mit dem Ampèremeter verbindet man die Kabel wieder. Der Strom fließt jetzt durch das Messgerät anstatt durch das Kabel. Der Stromkreis ist geschlossen und das Lämpchen leuchtet wieder.
+
Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.
 
<br style="clear: both" />  
 
<br style="clear: both" />  
  
−
Was schiefgehen kann:
+
;Messwerte und Auswertung
−
#Der Zeiger des Ampèremeter schlägt in die falsche Richtung aus.
+
In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
−
#Der Zeiger macht nur einen minimalen Ausschlag.
+
{|class="wikitable" style="text-align: center"
−
#Der Zeiger geht über die maximale Anzeige hinaus.
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
 
+
Erbsen-<br>beladung
−
Wie man das löst:
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
#Man vertauscht die Anschlusskabel des Ampèremeters.
+
Zeit-<br>spanne
−
#Man wählt einen kleineren Messbereich.
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
#Man wählt einen größeren Messbereich.
+
Personen-<br>anzahl
−
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
==Festlegung und Formel der elektrischen Stromstärke==
+
Erbsen-<br>anzahl
−
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
+
Personen-<br>stromstärke
−
|
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
−
Fließt elektrische Ladung, so gibt die Stromstärke <math>I</math> an wieviel Ladung <math>Q</math> an einer Stelle pro Zeit <math>t</math> durchfließt. Sie wird in Coulomb pro Sekunde oder Ampère gemessen:
+
Erbsen-<br>stromstärke
−
 
+
|-
−
{|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
|
+
<math>2\,\rm \frac{E}{P}</math>
−
:<math>
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
\begin{align}
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
\textrm{Stromstärke}  &= \frac{\textrm{Ladung}}{\textrm{Zeit}}\\
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
\textrm{ein Ampère}  &=\frac{\textrm{ein Coulomb}}{\textrm{eine Sekunde}}
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
\end{align}
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
</math>
+
|-
−
|
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
:<math>
+
.
−
\begin{align}
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
I        &= \frac{Q}{t}\\
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
1\,\rm A &=\frac{1\,\rm C}{1\,\rm s}
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
−
\end{align}
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
−
</math>
+
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
|
+
|-
−
:[[Datei:Merkregel_Dreisatz_QIt.png|60px]]
+
|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 "|
 +
|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 "|  
 
|}
 
|}
  
−
|}
+
Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!
−
 
+
−
==Aufgaben zur Stromstärke==
+
−
===Wasserstromstärken===
+
−
[[Datei:Stromstärke Badewanne.jpg|thumb|100px]]
+
−
====1) Badewanne füllen====
+
−
Moritz will ein Bad nehmen und dreht den Hahn voll auf. Die Badewanne, welche <math>140\,\rm l</math> fasst, ist nach <math>7\,\rm min</math> voll.
+
−
*Berechne die Stärke des Wasserstroms, der aus dem Hahn in die Wanne läuft in Litern pro Minute und in Litern pro Sekunde.
+
−
 
+
−
====2) Drei-Flüsse-Stadt Passau====
+
−
[[Datei:Stromstärke Dreiflüsseeck Passau.jpg|thumb|Die Flüsse Inn, Donau und Ilz am Dreiflüsseeck in Passau.]]
+
−
Passau ist bekannt dafür, dass in ihr die drei Flüsse Inn, Donau und Ilz zusammenfließen. Wegen der Hochwassergefahr wird ständig die Wasserhöhe, der sogenannte "Pegel" und an einigen Stellen auch die Stromstärke, der sogenannte "Abfluss" gemessen. (Siehe [https://www.gkd.bayern.de/de/fluesse/abfluss/passau Gewässerkundlicher Dienst Bayern])
+
−
 
+
−
Die Flüße sind unterschiedlich groß und haben deswegen auch ganz unterschiedliche Stromstärken:
+
−
{|
+
−
|
+
−
Inn: <math>740 \,\rm \frac{m^3}{s}</math>
+
−
|
+
−
Donau: <math>640\,\rm \frac{m^3}{s}</math>
+
−
|
+
−
Ilz: <math>16\,\rm \frac{m^3}{s}</math>
+
−
|}
+
−
 
+
−
Nach dem Zusammenfließen nennt man den Fluss immer noch "Donau".
+
−
*Wie groß ist die Stromstärke der Donau hinter Passau?
+
−
 
+
−
===Elektrische Stromstärke===
+
−
====4) Knotenregel in Schaltplänen====
+
−
Berechne mit Hilfe der Knotenregel die unbekannten Stromstärken.
+
−
[[Bild:Aufgabe Knotenregel Stromstärkeberechnung Schaltplan.png|750px]]
+
−
 
+
−
==[[Aufgaben zur Stromstärke - Lösungen|Lösungen]]==
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
−
 
+
  
 +
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!
  
  
Zeile 236: Zeile 97:
  
  
 +
==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
 +
!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 "|
 +
|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 "|
 +
|}
  
 +
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.
  
−
l
+
Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.

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.

Von „http://schulphysikwiki.de/index.php?title=*&oldid=17843“