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| | __NOTOC__ | | __NOTOC__ |
| | {| | | {| |
| − | |height="900px"| | + | |height="1150px"| |
| | |} | | |} |
| − | ==Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung==
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| − | ====Versuch: Eine helle Lampe====
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| − | ;Aufbau
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| − | [[Datei:Stromkreis_Versuch_zwei_Lampen_Potential_als_Energiebeladungsmaß.jpg|thumb|Das linke Lampe ist an ein Netzgerät angeschlossen, die rechte über einen Schalter an die Steckdose.]]
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| − | Eine 60W-Glühbirne ist an der Steckdose angeschlossen, die andere (12V/250mA) wird mit einem Netzgerät betrieben. Bei beiden Lampen wird die Stromstärke gemessen.
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| − | ;Beobachtung
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| − | 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!
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| − | ;Folgerung
| + | ==Praktikum: Messen der Leistung== |
| − | Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
| + | ====Material==== |
| | + | [[Datei:Praktikum Leistung.jpg|thumb|right|300px]] |
| | + | * 1 Steckbrett mit ca. 10 Verbindungssteckern |
| | + | * 1 Flachbatterie 4,5V |
| | + | * 2 Kabel mit 2 Klemmen |
| | + | * 2 Lämpchen mit Fassungen |
| | + | * 2 Multimeter mit je 2 Kabeln |
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| − | ====Versuch: Kichererbsentransport==== | + | ====Arbeitsauftrag==== |
| − | ;Aufbau
| + | *Messt in den verschiedenen Schaltungen wieviel Watt Leistung (P) (oder Energiestromstärke) die Batterie und die Lämpchen haben. |
| − | 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!
| + | #Dazu sollt ihr in allen Stromkreisen die verschiedenen Potentiale messen und farbig in die Schaltpläne einzeichnen. Der Minuspol der Batterie soll die Erde sein, also auf 0 Volt liegen. Aus den Potentialen könnt ihr die Spannung U (Potentialunterschied) in Volt an den Bauteilen berechnen. |
| | + | #Dann müßt ihr die Stromstärken an allen Bauteilen messen und in den Schaltplan eintragen. |
| | + | #Aus Spannung und Stromstärke könnt ihr die Leistung der Bauteile berechnen. |
| | + | #Versucht die Versuchsergebnisse logisch zu erklären und schreibt eure Begründung auf. |
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| − | Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können:
| + | ====Schaltungen==== |
| | + | :[[Datei:Praktikum_Leistungsmessung_Schaltpläne.png|600px]] |
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| − | [[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|512px]]
| + | :'''a)''' Ein Lämpchen an der Batterie angeschlossen. |
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| − | ;Messwerte und Auswertung
| + | | Batterie | Lämpchen | |
| − | In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
| + | Spannung U | | | |
| − | {|class="wikitable" style="text-align: center"
| + | | | | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | Stromstärke I | | | |
| − | Erbsen-<br>beladung
| + | | | | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | Leistung P | | | |
| − | 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 "|
| + | |
| − | |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!
| + | |
| − | | + | |
| − | 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
| + | |
| − | !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.
| + | |
| − | | + | |
| − | Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.
| + | |
| − | | + | |
| − | ==Energietransport-Konzept==
| + | |
| − | Ein elektrischer Stromkreis transportiert Energie, so wie in diesem Versuch ein Personenstromkreis Erbsen transportiert:
| + | |
| − | | + | |
| − | {|class="wikitable"
| + | |
| − | !style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Personenstromkreis
| + | |
| − | | + | |
| − | !valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | elektrischer Stromkreis
| + | |
| − | | + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | | + | |
| − | [[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|200px]]
| + | |
| − | | + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Ein elektrischer Stromkreis transportiert Energie von der Batterie zu einer Lampe.
| + | |
| − | | + | |
| − | | + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "| | + | |
| − | Der Personenstromkreis transportiert Erbsen von der Ausgabestelle zur Sammelstelle.
| + | |
| − | | + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "| | + | |
| − | Ein elektrischer Stromkreis transportiert Energie von der Batterie zu einer Lampe.
| + | |
| − | | + | |
| − | |- | + | |
| − | |style=" border-style: solid; border-width: 4px "| | + | |
| − | Die Personen laufen im Kreis, niemand geht verloren.
| + | |
| − | | + | |
| − | |valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Die elektrische Ladung fließt dabei im Kreis und wird nicht verbraucht.
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Jede Person transportiert die gleiche Anzahl von Erbsen.
| + | |
| − | | + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Das elektrische Potential gibt an, wieviel Energie pro Ladung transportiert wird.
| + | |
| − | |}
| + | |
| − | | + | |
| − | ==Das Potential als Energiebeladungsmaß und die elektrische Leistung==
| + | |
| − | [[Datei:Leistung Beispiel.png|thumb|250px|Die Batterie belädt jedes Coulomb elektrische Ladung mit 6 Joule Energie.<br>Es fließen 5 Coulomb pro Sekunde im Kreis.<br>Daher werden 30 Joule Energie pro Sekunde von der Batterie zur Lampe transportiert, die Leistung beträgt 30 Watt:
| + | |
| − | <br><math>\ \ \ P=6\,\rm V \cdot 5\,\rm A = 30\,\rm W</math>
| + | |
| − | <br><math>\left( P=6\,\rm \frac{J}{C \!\!\!\! /} \cdot 5\,\rm \frac{C \!\!\!\! /}{s} = 30\,\rm \frac{J}{s} \right)</math>.]]
| + | |
| − | | + | |
| − | {|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
| + | |
| − | |
| + | |
| − | *Ein elektrischer Stromkreis transportiert Energie.
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | | | + | |
| − | *Die Stromstärke I gibt an,<br>wieviel elektrische Ladung pro Zeit im Kreis fließt.
| + | |
| − | | | + | |
| − | <math>I=\frac{Q}{t}</math>
| + | |
| − | |- | + | |
| − | | | + | |
| − | *Eine Batterie belädt die elektrische Ladung mit Energie, das Potential steigt.
| + | |
| − | :Bei einer Lampe wird die Energie wieder abgeladen, das Potential fällt.
| + | |
| − | |- | + | |
| − | | | + | |
| − | *Das Potential gibt an,<br>mit wieviel Energie die elektrische Ladung beladen ist.
| + | |
| − | |
| + | |
| − | <math>\varphi=\frac{E}{Q}</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | | | + | |
| − | *Die Energiestromstärke oder Leistung gibt an,<br>wieviel Energie pro Zeit transportiert wird.
| + | |
| − | |
| + | |
| − | <math>P=\frac{E}{t}</math>
| + | |
| − | |- | + | |
| − | | | + | |
| − | *Je größer der Potentialunterschied (Spannung) und je größer die Stromstärke,<br>desto größer ist die Leistung.
| + | |
| − | | | + | |
| − | <math>P=U\!\cdot\! I</math>
| + | |
| − | |} | + | |
| − | <br style="clear: both" />
| + | |
| − | | + | |
| − | ===Parallelschaltung===
| + | |
| − | [[Datei:Leistung_Beispiel_Parallelschaltung.png|left|341px]]
| + | |
| − | Schaltet man zwei Lampen parallel, so fließt durch beide ein Strom der Stärke von <math>5\,\rm A = 5 \rm \frac{C}{s}</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | Die Leistung einer Lampe beträgt daher:
| + | |
| − | | + | |
| − | <math>
| + | |
| − | \begin{align}
| + | |
| − | P &= 6\,\rm V \cdot 5\,\rm A \\
| + | |
| − | &= 6\,\rm \frac{J}{C \!\!\!\! /} \cdot 5\,\rm \frac{C \!\!\!\! /}{s} = 30\,\rm \frac{J}{s}\\
| + | |
| − | &= 30\,\rm W
| + | |
| − | \end{align}
| + | |
| − | </math>
| + | |
| − | | + | |
| − | Zusammen haben die beiden Lampen eine Leistung von 60 Watt, was auch der Gesamtstromstärke von 10 Ampère bei 6 Volt Spannung entspricht.
| + | |
| − | <br style="clear: both" />
| + | |
| − | | + | |
| − | ===Reihenschaltung===
| + | |
| − | [[Datei:Leistung_Beispiel_Reihenschaltung.png|left|279px]]
| + | |
| − | Jetzt fällt das Potential in zwei Schritten von 6 Volt auf 0 Volt ab. An jeder Lampe liegt also eine Spannung von nur 3 Volt an.
| + | |
| | | | |
| − | Die Stromstärke beträgt nur noch 2,5 Ampère. Die hintereinander geschalteten Lampen haben nämlich einen größeren Widerstand als nur eine Lampe.
| + | :'''b)''' Zwei Lämpchen parallel geschaltet. |
| | | | |
| − | Die Leistung einer Lampe berechnet sich nun zu:
| + | | Batterie | Lämpchen 1 | Lämpchen 2 | |
| | + | Spannung U | | | | |
| | + | | | | | |
| | + | Stromstärke I | | | | |
| | + | | | | | |
| | + | Leistung P | | | | |
| | + | | | | | |
| | | | |
| − | <math>
| + | :'''c)''' Zwei Lämpchen in Reihe geschaltet. |
| − | \begin{align}
| + | |
| − | P &= 3\,\rm V \cdot 2{,}5\,\rm A \\
| + | |
| − | &= 3\,\rm \frac{J}{C \!\!\!\! /} \cdot 2{,}5\,\rm \frac{C \!\!\!\! /}{s} = 7{,}5\,\rm \frac{J}{s}\\
| + | |
| − | &= 7{,}5\,\rm W
| + | |
| − | \end{align}
| + | |
| − | </math>
| + | |
| | | | |
| − | Zusammen haben die Lampen eine Leistung von 30 Watt.
| + | | Batterie | Lämpchen 1 | Lämpchen 2 | |
| − | <br>Durch die Reihenschaltung ist die Leistung einer Lampe auf ein Viertel gesunken! Das liegt daran, dass sowohl die Spannung als auch die Stromstärke halbiert wurde.
| + | Spannung U | | | | |
| − | <br style="clear: both" />
| + | | | | | |
| | + | Stromstärke I | | | | |
| | + | | | | | |
| | + | Leistung P | | | | |
| | + | | | | | |
