Big Bang Physik 6, Schulbuch

GG 6.2/G 6.2 Elektrizitätslehre/Elektrische Energie 89 Grundlagen der Elektrizität 2  23  Warum erwärmt sich ein Leiter immer durch Stromfluss? Die driftenden Elektronen stoßen gegen die Atomrümpfe (Abb. 23.21, S. 85) und diese beginnen stärker zu schwingen. Das bedeutet eine Erhöhung der Temperatur. Formel: Stromarbeit und Stromleistung W = Q · U Þ W = I · U · t P = ​  W  __  t ​ Þ P = U · I W … Arbeit [J] I … Stromstärke [A] P … Leistung [W] Q … Ladung [C] U … Spannung [V] t … Zeit [s] Die Netzspannung im Haushalt beträgt 230 V ( F24 ). Wenn man die Leistung eines Gerätes kennt, kann man mit I  = P / U sofort den Stromfluss ausrechnen. Über den Daumen gilt, dass pro 100 W durch ein Gerät 0,4 A fließen (genau sind es 0,43; F25 ). Bei einem E-Backrohr wären das dann immer- hin 13 A! Die Angabe der Stromarbeit (also des „Stromver- brauchs“) erfolgt in Kilowattstunden.  Info: Strommathematik  Info: Blitzableiterwasserkocher Abb. 23.33:  Links: Schematischer Aufbau eines Wasserkochers Rechts: Das glühende Heizelement eines E-Herdes mit Ceranfeld F Strommathematik Der Zusammenhang zwischen Spannung, Arbeit und La- dung lautet W = Q · U . Auf der anderen Seite gilt für die Stromstärke I = Q / t und daher Q = I · t . Wenn man das ein- setzt, bekommt man für die Stromarbeit W = U · I · t . Da Leistung Arbeit pro Zeit ist ( P = W / t ), ergibt sich für die Stromleistung P = U · I . Die Energie, die im Strom steckt, wird in Kilowattstunden (kWh) angegeben. Darunter versteht man die Energie, die ein Gerät mit der Leistung von einem Kilowatt (1000 W) in einer Stunde umsetzt. Also gilt:  1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3,6 · 10 6 J 3,6 Millionen Joule! Es steckt also unglaublich viel Energie im Strom. Deshalb verwundert es, dass eine kWh nur etwa 20 Cent kostet (Stand 2016). Um die Energie von 1 kWh durch Muskelarbeit freizusetzen, müsstest du etwa 10 Stunden lang schuften (siehe Kap. 8.5, „Big Bang 5“). i Blitzableiterwasserkocher Wie viel Energie steckt in einem starken Blitz ? Nimm an, dass die Spannung in einem Blitz 500.000V beträgt und eine Ladung von 10C fließt. Die Blitzenergie beträgt daher 5 · 10 6  J (rechne nach). Das sind bloß 1,4 kWh – enttäuschend wenig. Du könntest damit zwei Autobatterien aufladen, ein Backrohr (3000W) rund eine halbe Stunde betreiben oder 15 l Wasser von 20 °C zum Kochen bringen ( F26 ; Abb. 23.34). Warum ist ein Blitz dann so spektakulär? Das liegt nicht an seiner Energie, sondern an seiner Leistung . Weil die Ladung in bloß 10 –4  s ab- fließt, leistet ein Blitz sagenhafte 5 · 10 10 W, also 50 Milliarden Watt! i Abb. 23.34:  Mit der Energie eines Blitzes könnte man zwar nur 15 l Wasser zum Kochen bringen, aber dafür in einer Zehntausendstel Sekunde! Sehr flott! Grundlagen der Elektrizität 2 Vergleiche die thermische Geschwindigkeit der Elektronen mit ihrer Driftgeschwindigkeit! In welcher Größenordnung liegt der Unterschied? L Ist die Driftgeschwindigkeit immer gleich groß oder hängt sie von verschiedenen Faktoren ab? L Man hört manchmal, dass der Blitz von unten nach oben einschlägt. Ist das richtig? Und wie hoch ist die Geschwindigkeit eines Blitzes? L Wie ist es möglich, dass die Straßenbahn nur einen einzigen Stromabnehmer hat? L Beantworte F17 in Kap. 23.4 (S. 85) aus Sicht einer Parallelschaltung. L Für genauere Betrachtungen muss man berücksichti- gen, dass Stromquellen einen Innenwiderstand besitzen. Man kann sich die reale Stromquelle als Hintereinanderschaltung von widerstandsfreier Stromquelle und ihrem Innenwiderstand denken. Zwischen Klemmenspannung und Stromfluss einer Batterie besteht folgender Zusammenhang: Klemmenspannung U kl in V 5,3 4,9 4,5 3,5 2,5 Strom I in A 0 0,12 0,30 0,60 0,80 Drücke die Klemmenspannung durch die Leerlauf- spannung, die Stromstärke und den Innenwiderstand der Quelle allgemein aus. Zeichne mit obigen Mess­ werten ein I - U kl -Diagramm und ermittle mit Hilfe des Diagramms den Innenwiderstand der Quelle und den Kurzschlussstrom I k . L 23 F27 W2  F28 W2  F29 W2  F30 W2  F31 W1  F32 W2  Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv