Elektrizität

Question 1

Einheit und Formel für Stromstärke.

Answer 1

I = Q / t

Stromstärke = Ladungsmenge / Zeit

Einheit: 1 Ampere = 1 Coulomb / 1 Sekunde

Question 2

Warum kann man für Coulomb auch die Einheit Amperesekunde verwenden?

Answer 2

Ladungsmenge = Stromstärke * Zeit

1 Coulomb = 1 Ampere * 1 Sekunde

Aus diesem Grund ist für Coulomb auch genauso die Einheit „Amperesekunde“ („As“) zulässig.

Question 3

Was ist die Elementarladung “e”?

Answer 3

Die kleinstmögliche Ladungsmenge. Sie ist die Ladung eines einzelnen Elektrons. Es gibt keine Ladungsmenge, die kleiner sein kann, weil es nur ganze Elektronen gibt und keine Bruchteile davon.

e = 1,6 * 10^-19 Coulomb

Question 4

Warum kann Spannung mit Joule / Coulomb angegeben werden?

Answer 4

(Altfrage). Die Spannung gibt an, wie stark eine Ladung von einer Seite zur anderen möchte und mit welchem Energiegewinn die Bewegung der Ladung stattfinden würde und ist deshalb definiert als Joule/ Coulomb.

Also 1 Volt ist eigentlich 1 Joule / Coulomb. Damit kann man Spannung auch als „Potenzielle Energie“ bzw. „Lageenergie“ betrachten, die aussagt, wie viel Energie frei wird, wenn der Spannung nachgegeben wird bzw. wieviel Energie man benötigt, um etwas auf diese Höhe zu bringen.

Außerdem erklärt es, warum Spannung * Ladung = Energie. Wenn Spannung eigentlich Energie / Ladung ist, und man es mit Ladung multipliziert, erhält man wieder Energie.

Question 5

Wie lautet das Ohmsche Gesetz?

Answer 5

U = R * I

Spannung = Widerstand * Stromstärke

Question 6

Wie berechnet man den Gesamtwiderstand in einer Reihenschaltung von Einzelwiderständen?

Answer 6

Bei Reihenschaltung addieren sich einfach alle Widerstände zum Gesamtwiderstand:

R(Gesamt) = R1 + R2 + … Rn

Question 7

Wie berechnet man den Gesamtwiderstand in einer Parallelschaltung von Einzelwiderständen?

Answer 7

Die Kehrwerte der einzelnen Widerstände addieren sich zum Kehrwert des Gesamtwiderstandes:

(1 / R(Gesamt)) = (1 / R1) + (1 / R2) + … + (1 / Rn)

Question 8

Wie lautet die technische, wie die physikalische Stromrichtung?

Answer 8

Die technische Stromrichtung ist von Plus nach Minus. Die physikalische (wahre) Stromrichtung von Minus nach Plus.

Question 9

Was ist der Leitwert? Welche Einheit hat er?

Answer 9

Den Kehrwert eines Widerstands nennt man „Leitwert“. Je größer der Widerstand, desto kleiner der Leitwert, je kleiner der Widerstand, desto größer der Leitwert. Einheit des Leitwerts ist Siemens.

Question 10

Wie wirkt sich das Einstecken von Geräten auf dem Stromkreis eines Hauses aus? Was geschieht bei einem Kurzschluss?

Answer 10

Der Stromkreis im Haushalt ist eine Parallelschaltung. Mit jeder weiteren benutzen Steckdose wird ein weiterer Widerstand parallel geschaltet, womit sich der Gesamtwiderstand verringert und sich die Stromstärke erhöht. Die Sicherung kann dann herauspringen.

Bei einem Kurzschluss springt auch die Sicherung heraus, weil ein Kurzschluss bedeutet, dass der Widerstand im Stromkreis umgangen wird. Hier gibt es dann nur noch den Widerstand, den die Leitungen selbst haben, der normalerweise vernachlässigbar gering ist, wodurch die Stromstärke stark zunimmt und die Leitung überhitzt und durchbrennt, wenn die Sicherung nicht vorher rausspringt.

Question 11

Einheit und Formel für elektrische Leistung: P = …

Answer 11

P = U * I

Die Einheit ist Watt, abgekürzt „W“.

Question 12

Warum ist die Einheit Elektronenvolt für Energie zulässig?

Answer 12

Wenn Volt = Joule / Coulomb, dann ergibt „Volt * Ladung“auch wieder Joule:

Joule / Coulomb * Coulomb = Joule.

Daher ist für Energie auch die Einheit Elementarladung * Spannung zulässig, „e*V“, was als „Elektronenvolt“ abgekürzt wird.

Question 13

Kirchhoffsche Gesetze: was besagt die Maschenregel?

Answer 13

Die Maschenregel sagt vereinfacht, dass nachdem alle Widerstände durchlaufen wurden, die komplette Spannung der Spannungsquelle abgefallen („verbraucht“) sein muss.

Bei mehreren in Reihe geschalteten Widerständen fällt die Spannung entsprechend über alle Widerstände ab. Der Anteil der Spannung, der über einen einzelnen Widerstand abfällt, steht zur Gesamtspannung im gleichen Verhältnis wie der Anteil des jeweiligen Widerstands am Gesamtwiderstand. Die Stromstärke dagegen ist überall gleich. Sie fällt also nicht ab.

In Parallelschaltungen teilt sich der Strom auf, die anliegende Spannung dagegen ist an den Widerständen gleich.

Question 14

Kirchhoffsche Gesetze: was besagt die Knotenregel?

Answer 14

In Parallelschaltungen teilt sich der Strom auf. Die Punkte, an denen sich der Strom aufteilt, nennt man Knoten.

Diese Kirchhoffsche Regel besagt, dass an einem Knoten die Summe aller eingehenden Ströme gleich der Summe aller ausgehenden Ströme ist. Damit ist an einem Knoten die Summe aller Ströme 0, wenn man die eingehenden und ausgehenden mit verschiedenen Vorzeichen angibt.

Dies muss so sein, da Elektronen nicht aus dem Nichts entstehen oder ins Nichts verschwinden können. Was reingeht, muss auch rausgehen.

Question 15

Wie muss ein Amperemeter geschaltet werden? Wie hoch muss dessen Widerstand sein?

Answer 15

Weil Strommesser, sogenannte Amperemeter, die Stromstärke messen sollen, muss der Strom auf jeden Fall durch sie hindurchgehen, sie müssen in Reihe geschaltet werden.

Ihr eigener Widerstand (Synonym: “Innenwiderstand”) muss so gering wie möglich sein, damit sie nicht selbst die Stromstärke zu sehr abschwächen.

Question 16

Wie muss ein Voltmeter geschaltet werden? Wie hoch muss dessen Widerstand sein?

Answer 16

Spannungsmesser, sogenannte Voltmeter, messen immer eine Spannungsdifferenz zwischen den Punkten, an denen der Spannungsmesser anliegt. Sie werden parallel geschaltet.

Das Voltmeter muss einen möglichst hohen Innenwiderstand (= Eigenwiderstand) haben, da sonst der Gesamtwiderstand sinkt und die gemessene Spannung beeinflusst.

Question 17

Wie unterscheiden sich Wechsel- und Gleichstrom hinsichtlich Spannung und Stromstärke?

Answer 17

Während beim Gleichstrom die Spannung und der Strom konstant sind, gibt es beim Wechselstrom einen periodischen Wechsel der Spannung vom Positiven ins Negative, wodurch auch der Strom die ganze Zeit seine Richtung hin und her ändert.

Question 18

Wie oft wechselt der Wechselstrom in der EU seine Richtung?

Answer 18

Der Wechselstrom in der EU hat eine Frequenz von 50 Hz

Das bedeutet, dass sich die Richtung des Stromes pro Sekunde 100-mal ändert, weil es pro Periode zwei Polaritätsänderungen gibt.

Question 19

Wie ist der Effektivwert von Wechselstrom definiert? Wie wird dieser berechnet?

Answer 19

Der Effektivwert von Wechselstrom entspricht dem Wert eines Gleichstroms, der in einem ohmschen Widerstand die gleiche Wärme erzeugt. Sie berechnet sich aus:

Spitzenwert / √(2)

Dies gilt sowohl für Spannung als auch Stromstärke.

Question 20

Wie hoch ist die Amplitude der Spannung von Wechselstrom in der EU?

Answer 20

Der für unsere Netzspannung angegebene Wert von 230 Volt ist der Effektivwert. Der Spitzenwert der Spannung liegt also eigentlich um den Faktor √2 höher und beträgt damit ca. 325 Volt.

325 / √(2) = 230

Question 21

Wovon ist die Helligkeit einer Glühbirne abhängig?

Answer 21

Vereinfacht kann man sagen, dass die Helligkeit von Glühbirnen nur von der Leistung abhängt. Je stärker die Leistung, desto stärker wird der Draht in der Glühbirne erhitzt, wodurch er anfängt zu leuchten.

Wenn die Spannung gleichbleibt (wie bei einer Batterie üblich), ist die Leistung nur von der Stromstärke abhängig und die Stromstärke nur vom Gesamtwiderstand.

Question 22

Wie lautet die Formel für die Coulombsche Kraft? Wann kann entsprechend von einer Anziehung, wann von einer Abstoßung gesprochen werden?

Answer 22

F = k * ( (Q1 * Q2) / r² )

wobei k = 1 / 4 π ε0, also immer konstant ist.

F > 0 → abstoßend
F < 0 → anziehend

Question 23

Wie berechnet sich die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern?

Answer 23

Die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern berechnet sich wie die Columbsche Kraft, nur dass die Konstante anders ist und es keine negativen Massen gibt.

Aber auch hier ist die zwischen zwei Körpern wirkende Anziehungskraft proportional dem Produkt der Massen und umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes.

Und auch hier gilt Kraft = Gegenkraft, beide Körper üben gleich große Kraft aufeinander aus, egal wie viel schwerer der eine als der andere ist.

Question 24

Wie ist die elektrische Feldstärke definiert? Wie ist die elektrische Feldkraft definiert?

Answer 24

E = Kraft / Ladung

(Newton / Coulomb)

Da die Feldstärke die wirkende Kraft pro 1 Coulomb angibt, berechnet sich die Kraft auf eine beliebig hohe Probeladung im elektrischen Feld durch Multiplikation seiner Ladung mit der elektrischen Feldstärke.

Die auf eine Probeladung Q ausgeübte Kraft hängt von der elektrischen Feldstärke und vom Betrag der eigenen Ladung ab:

Elektrische Feldkraft = Elektrische Feldstärke * Ladung

F(el) = E * Q

Wenn die elektrische Feldstärke 5 N / C beträgt, ist das genau die Kraft, die in dem Feld auf eine Ladung von 1 Coulomb wirken würde. Wenn die tatsächliche Probeladung 2 C hat, wäre die auf sie wirkende Kraft 10 Newton, wenn sie nur 0,5 C groß wäre, wäre die auf sie wirkende Kraft nur 2,5 Newton.

Question 25

Plattenkondensator: wovon hängt die Kondensatorkapazität ab? Mit welcher Formel lässt sie sich berechnen?

Answer 25

Je höher die am Kondensator liegende Spannung, desto mehr Ladung kann er speichern. Wenn die anliegende Spannung erhöht wird, kann er also auch mehr Ladung speichern. Die Kapazität eines Kondensators bleibt bei unterschiedlicher Spannung immer gleich, sie gibt nur das Verhältnis zwischen Ladung und Spannung an

Wie groß die Kapazität eines Plattenkondensators ist, also wie viel Coulomb pro Volt er speichern kann, hängt von seiner Fläche ab, dem Abstand zwischen den Platten, und dem Material zwischen den Platten:

C = ε0 *A / d

A ist die Fläche des Kondensators, d der Abstand zwischen den Platten, ε0 die elektrische Feldkonstante.

Question 26

Wie ist die Kondensatorkapazität definiert?

Answer 26

Kapazität C = Ladungsmenge / Spannung

(Farad = Coulomb / Volt)

Question 27

Was ist ein Dielektrikum? Wie beeinflusst es die Kondensatorkapazität?

Answer 27

Die Kapazität eines Kondensators würde sich noch weiter erhöhen, wenn man einen anderen Nichtleiter außer Vakuum zwischen den Platten platziert. Den Nichtleiter nennt man Dielektrikum. Wenn man ihn zwischen den Platten platzieren würde, würden sich die Elektronen im Dielektrikum so verteilen, dass sie zur positiven Kondensatorplatte zeigen und von der negativen Kondensatorplatte weg.

Das Dielektrikum leitet also nicht, verschiebt aber durch den Einfluss des elektrischen Feldes seine Ladung asymmetrisch. Die Moleküle werden dann zu Dipolen mit der gleichen Wirkung wie die gegenüberliegende Platte, wodurch noch mehr Ladung auf dem Kondensator gespeichert werden kann.

Wenn ein Dielektrikum, also kein Vakuum zwischen den Kondensatoren ist, gilt:

C = ε0 * εr * A / d

εr ist dabei die Dielektrizitätskonstante des Materials.

Question 28

Welche Faktoren beeinflussen die Ladegeschwindigkeit eines Kondensators?

Answer 28

Die Zeit hängt von der Kapazität des Kondensators und von dem Widerstand im Stromkreis ab, aber nicht von der Höhe der Spannung aus der Spannungsquelle. Bei einer höheren Spannung wird in der gleichen Zeit nur eine größere Ladung auf dem Kondensator gespeichert, aber es geht nicht schneller.

Question 29

Was gibt die Zeitkonstante τ an? Wie wird sie berechnet?

Answer 29

Die Zeitkonstante τ gibt an, wie lange es dauert, ca. 63% der Quellspannung (also von der Spannungsquelle) zu erreichen.

Die Zeitkonstante ist bei jedem Kondensator unterschiedlich, aber nach einem τ sind immer genau 63% der Quellspannung erreicht, nach 2 τ ca. 86%, nach 3 τ ca. 95%, nach 4 τ ca. 98% und nach 5τ ist der Ladevorgang abgeschlossen.

τ gibt die Zeit in Sekunden an und berechnet sich aus:

τ = R * C

(Ohm * Farad)

Question 30

Zu wie viel % ist ein Kondensator nach 1τ und nach 2τ entladen?

Answer 30

1τ = 63% entladen (37% übrig)
2τ = 86% entladen (14% übrig)

Die Entladung folgt also dem gleichen Schema wie die Aufladung.

Question 31

Wie lässt sich in einem Schaltkreis mit mehrere Kondensatoren die Gesamtkapazität der Kondensatoren berechnen?

Answer 31

Bei parallel geschalteten Kondensatoren kann man die einzelnen Kapazitäten zur Gesamtkapazität addieren, bei in Serie geschalteten Kondensatoren muss man die Kehrwerte der einzelnen Kapazitäten zum Kehrwert der Gesamtkapazität addieren, es verhält sich also genau umgekehrt zu Widerständen.

Grund dafür ist, dass bei Parallelschaltung an jedem Kondensator die gleiche Spannung anliegt, die Ladungsmenge, die pro Volt gespeichert werden kann, also mit jedem Kondensator größer wird.

Parallelschaltung:
C(Gesamt) = C1 + C2 +… usw.

Serienschaltung:
1 / C(Gesamt) = (1 / C1) + (1 / C2) +… usw.