Hier findest du die Lösungen zu den Check-up-Aufgaben des Kapitels Elektrischer Strom.
Zum Beispiel:
Wärmewirkung: Toaster, Wasserkocher, Kaffeemaschine
Lichtwirkung: Toaster, Lampe
Magnetische Wirkung: Induktionsherd, Motor im Mixer
a) Im Gegensatz zu einem Dauermagneten kann man einen Elektromagneten nach Bedarf einschalten und ausschalten, indem man den Strom durch die Drahtwicklung einschaltet bzw. ausschaltet.
b) Mithilfe von Elektromagneten lassen sich z. B. schwere Lasten anheben und wieder loslassen (Hebekräne auf Schrottplätzen). Elektrische Klingeln basieren darauf, dass Strom durch eine Spule fließt, sodass diese zeitweise zu einem Elektromagneten wird. Auch in Haushaltssicherungen (Sicherungsautomat) und Türöffnern finden Elektromagnete Verwendung.
Schaltsymbol einer Spannungsquelle:
© Cornelsen\newVISION! GmbH, Bernhard A. Peter
Gezeigt ist das Schaltsymbol für einen Schalter.
Schaltsymbol für eine Glühlampe:
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① Der Stromkreis ist nicht geschlossen. Das zweite Kabel fehlt.
② Kurzschluss, beide Kabel stecken auf demselben Anschluss.
③ Der Stromkreis ist nicht geschlossen. Das zweite Kabel geht nicht zur Batterie.
④ Die Batterie ist nicht richtig angeschlossen. Beide Kabel klemmen am gleichen Pol.
Elektrische Leiter und Isolatoren bestehen aus Atomen, die aus einem positiv geladenen Atomkern und der Atomhülle bestehen, in denen sich die Elektronen befinden. In einem elektrischen Leiter können sich die Elektronen wie in einem Gas frei bewegen. Bewegen sich die freien Elektronen in eine Richtung, dann fließt ein elektrischer Strom. In Isolatoren können sich die Elektronen nicht frei bewegen, somit kann auch kein elektrischer Strom fließen.
Mit einer Glimmlampe kann die Ladungsart festgestellt werden. Bei einer Glimmlampe leuchtet das Gas immer an der Elektrode auf, an der die Elektronen in die Lampe eintreten.
Die Elementarladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladung. Ein Elektron trägt genau eine Elementarladung. Da die Elektronen die Träger der negativen elektrischen Ladung sind, kann man die Ladung eines Körpers als Vielfaches der Elementarladung angeben.
a) Die Spitze ist negativ, die Platte ist positiv geladen. Die Richtung der elektrischen Feldlinien ist die Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Körper, dieser würde sich zur negativ geladenen Spitze bewegen.
b) Ein positiv geladener Körper erfährt eine Kraft in Richtung der Spitze und bewegt sich auch in Richtung der Spitze entlang der Feldlinien. Ein negativ geladener Körper wird zur Platte gezogen, denn die Richtung der Feldlinien ist die Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Körper.
c) Ist die Spitze positiv und die Platte negativ geladen, dann sind auch die Kraftrichtungen vertauscht.
a)
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b) Die Platten des Kondensators müssen entweder beide positiv oder beide negativ geladen sein, damit es zur Abstoßung kommt.
a) Die Stromstärke wurde mit einem Stromstärkemessgerät (Amperemeter) gemessen.
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b) Gegeben:
Stromstärke \(I = 20 \, \text{mA} \)
Zeitspanne \(\Delta t = 1 \, \text{s} \)
Gesucht:
Ladungsmenge \(\Delta Q \)
Berechnung:
\(I = \frac{\Delta Q}{\Delta t} \Rightarrow \Delta Q = I \cdot \Delta t \)
\(\Delta Q = 0,02 \, \text{A} \cdot 1 \, \text{s} = 0,02 \, \text{C} \)
Ergebnis:
In einer Sekunde ist eine Ladungsmenge von \(0,02 \, \text{C} \) geflossen.
a) Die elektrische Spannung ist der Antrieb für die Elektronen in einem elektrischen Stromkreis. Man kann sie sich als „Druck“ vorstellen, der die Elektronen veranlasst, durch den Stromkreis zu fließen.
b) Eine elektrische Spannung muss immer zwischen zwei Stellen im elektrischen Stromkreis gemessen werden, da die Spannungsmessung ein „Vergleich“ ist. Das „Vergleichen“ zweier Stellen ist nur mithilfe einer Parallelschaltung möglich.
Physikalisch betrachtet ist eine Batterie „leer“, wenn die Ladung in ihr nicht mehr getrennt ist, sodass keine Spannung mehr zwischen den Polen besteht, d. h., es ist keine Energie mehr gespeichert. Die Batterie enthält zwar noch genauso viel Ladung wie zuvor, sie kann aber im Stromkreis nicht mehr genutzt werden.
a)
| \(U \) in V | 0 | 2,0 | 4,0 | 6,0 | 8,0 | 10,0 |
| \(I \) in A | 0 | 1,1 | 1,8 | 2,3 | 2,6 | 2,8 |
| \(R \) in Ω | 0 | 1,8 | 2,2 | 2,6 | 3,1 | 3,5 |
b)
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c) Der Widerstand der Glühlampe steigt mit steigender Stromstärke bzw. Spannung. Er ist nicht konstant. Daher gilt für die Glühlampe das Ohmsche Gesetz nicht.
Es muss überprüft werden, ob die Summe der Ströme durch die einzelnen Geräte kleiner als 16 A ist. Aufgrund der Reihenschaltung der Geräte kann man \(U = 230 \, \text{V} \) nutzen. Für die Stromstärken des Waffeleisens und der Kaffeemaschine ergibt sich:
\(I_\text{W} = \frac{U}{R_\text{W}} = \frac{230 \, \text{V}}{53 \, \Omega} \approx 4,3 \, \text{A} \)
\(I_\text{K} = \frac{U}{R_\text{K}} = \frac{230 \, \text{V}}{66 \, \Omega} \approx 3,5 \, \text{A} \)
In Summe folgt damit:
\(I_\text{W} + I_\text{T} + I_\text{A} + I_\text{K} = 4,3 \, \text{A} + 3,7 \, \text{A} + 8,7 \, \text{A} + 3,5 \, \text{A} = 20,2 \, \text{A} > 16 \, \text{A} \)
Somit wird die Sicherung auslösen.
a)
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b) Gegeben:
Spannung \(U = 20 \, \text{V} \)
Stromstärke \(I_1 = 0,2 \, \text{A} \)
Stromstärke \(I_2 = 0,1 \, \text{A} \)
Gesucht:
Widerstände \(R_1 \) und \(R_2 \)
Berechnung:
\(R = \frac{U}{I} \)
In einer Parallelschaltung ist die Spannung über alle Zweige gleich groß. Daher können wir mit \(U = 20 \, \text{V} \) rechnen.
\(R_1 = \frac{20 \, \text{V}}{0,2 \, \text{A}} = 100 \, \Omega \)
\(R_2 = \frac{20 \, \text{V}}{0,1 \, \text{A}} = 200 \, \Omega \)
Ergebnis:
Die Widerstände in der Parallelschaltung betragen \(R_1 = 100 \, \Omega \) und \(R_2 = 200 \, \Omega \).
c) \(\frac{1}{R_\text{ges}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \)
\(\frac{1}{R_\text{ges}} = \frac{1}{100 \, \Omega} + \frac{1}{200 \, \Omega} = 0,0015 \, \frac{1}{\Omega}\)
\(\Rightarrow R_\text{ges} \approx 66,7 \, \Omega \)
Gegeben:
Spannung \(U = 230 \, \text{V} \)
Stromstärke \(I = 0,3 \, \text{A} \)
Gesucht:
Leistung \(P \)
Berechnung:
\(P = U \cdot I \)
\(P = 230 \, \text{V} \cdot 0,3 \, \text{A} = 69 \, \text{W} \)
Ergebnis:
Die Lampe nimmt eine Leistung von \(69 \, \text{W} \) auf.
Das weniger energieeffiziente Gerät der Klasse C nimmt pro Jahr 110 kWh mehr auf als das effizientere, aber 160 € teurere Gerät.
Die jährlichen Kosten für den zusätzlichen Energiebedarf betragen:
\(110 \, \text{kWh} \cdot 0,35 \, \frac{\text{€}}{\text{kWh}} = 38,50 \, \text{€} \)
Dauer bis zur Amortisierung:
\(\frac{160 \, \text{€}}{38,50 \, \frac{\text{€}}{\text{a}}} \approx 4,16 \, \text{a} \)
Damit hat sich der teurere Kühlschrank nach etwas mehr als 4 Jahren bezahlt gemacht. Dies liegt deutlich unterhalb der typischen Lebensdauer eines Kühlschranks von etwa 15 Jahren, sodass sich die Anschaffung des teureren Geräts auf alle Fälle lohnt.