6.2 Elektrischer Stromkreis Physik anwenden und verstehen: Lösungen 1 © 2004 Orell Füssli Verlag AG 6.2 Elektrischer Stromkreis Gleichstromgrössen 55 ∆Q ne∆V neA∆s = = = neAv ∆t ∆t ∆t b) n folgt aus den Daten von Kupfer: Wenn jedes Kupferatom ein Elektron zur Verfügung stellt, dann muss also die Teilchendichte der Kupferatome gefunden werden. ρ I 1 ; 3.8 mm/s (Schneckentempo!)* n = N A Cu ; 8.5 ⋅10 28 3 . v = M Cu m enA a) I = * Aufgrund einer Änderung im Aufgabentext in der 2. Auflage 2006 hat diese Aufgabe zwei unterschiedliche Lösungen. 3.0 mm/s für die 1. Auflage. 56 Spannung Stromstärke Widerstand Arbeit Zeit Leistung a) 31.0 V 2.50 A 12.4 Ω 11.6 kJ 2.50 min 77.5 W b) 150 V 5.75 A 26.1 Ω 71.2 kJ 82.5 s 863 W c) 230 V 1.10 A 210 Ω 1.07 kWh 4.25 h 252 W d) 7.50 kV 12.5 A 600 Ω 93.8 kWh 60.0 min 93.8 kW e) 83.1 V 5.50 A 15.1 Ω 1'000'000 J 36.5 min 457 W f) 48.0 V 20.0 mA 2.40 kΩ 800 J 13.9 min 960 mW 57 a) F steht für Flink (es gibt auch Träge T, sehr träge TT, Mittelträge M und sehr Flinke FF Schmelzsicherungen), 0.5 A der höchst zulässige Strom bei einer Spannung von 230 V (die Netzspannung). Dies ergibt eine maximale Leistung von 115 W, z.B. ein Rasierapparat. b) Ein Föhn hat eine Leistung von z. B. 1000 W. Die Sicherung ist beim Betätigen des Föhns geschmolzen. c) Karl muss eine neue Schmelzsicherung kaufen und ab sofort die untere Steckdose für den Föhn verwenden. 58 a) P = UI ; 5 GW b) t = PtBlitz ; 25 Tage EJahr 59 a) W1 = Pt 11 ; 8.2 TWh b) t2 = W2 ; 1 Monat P2 Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis 2 © 2004 Orell Füssli Verlag AG 60 Nutzbarer Energieinhalt der Batterie: ∆E = UI ∆t ; 11.3 kJ; Preis pro kWh also 790.– Fr. Vergleich: 1 kWh aus dem Netz kostet ca. 20 Rappen. 61 1Fr. ⋅ 3.6 ⋅106 J/kWh ∆t = = 2 ⋅106 s oder 25 Tage 0.14 Fr./kWh ⋅12 W 62 ∆Q cm∆ϑ = ; 3.3 min P P U U2 b) R = = ; 59 Ω I P c) P′ = 1 P ⇒ t ′ = 4t ; 4-mal länger 4 a) t = 63 a) ϑ2 = ϑ1 + IU ∆t ; 56 °C mc b) η = cm∆ϑ ; 86 % IU ∆t 64 a) Q = L f + cAl ∆ϑ ; 0.97 MJ/kg bzw. 0.27 kWh/kg m Also 0.97 MJ um ein Kilogramm Aluminium auf Schmelztemperatur zu bringen und dann noch zu schmelzen. b) Aluminium ist 3fach positiv geladen. In 110 Öfen wird in der Zeit t folgende Masse abgeschieden: N It m = 110nAl M Al = 110 Al M Al = 110 M Al NA 3eN A In derselben Zeit wird folgende Arbeit aufgewendet: W = Pt = UIt 3UeN A W 3UIteN A = = ; 43 MJ/kg, bzw. 12 kWh/kg m 110 ItM Al 110M Al Also 43 MJ um ein kg Aluminium elektrolytisch zu gewinnen. Es braucht also rund 44-mal mehr Energie, um Aluminium elektrolytisch zu gewinnen, als es wieder einzuschmelzen! 6.2 Elektrischer Stromkreis Physik anwenden und verstehen: Lösungen © 2004 Orell Füssli Verlag AG Serien- und Parallelschaltung 65 a) P = 20 ⋅ 4 '000 kWh = 250 kW 40 ⋅ 8 h b) PL = P ; 12 W n 66 RL = RL I ; 20.9, Rtot U somit dürfen 20 Glühbirnen parallel geschaltet werden. a) N ist die Anzahl Glühbirnen: N = 2 b) P = 20 ⋅ U ; 1.32 kW (bei 20 Glühbirnen) RL 67 a) vor dem getrennten Streckenabschnitt: auf dem getrennten Streckenabschnitt: nach dem getrennten Streckenabschnitt: T b) I = U ; RM + RS T 0.22 A 68 a) Es gibt nur zwei Schaltungen: b) Es gibt diese 4 Schaltungen: 3 6.2 Elektrischer Stromkreis Physik anwenden und verstehen: Lösungen 4 © 2004 Orell Füssli Verlag AG c) Es gibt die 4 Schaltungen von N = 3 mit einem Serie- oder Parallelwiderstand mehr, also 8 Fälle plus die nachfolgenden 2: d) Es gibt die 10 Schaltungen von N = 4 mit einem Serie- oder Parallelwiderstand mehr, also 20 Fälle plus die nachfolgenden 4: e) Es gibt die 24 Schaltungen von N = 5 mit einem Serie- oder Parallelwiderstand mehr, also 48 Fälle plus die nachfolgenden 18 Fälle: Übrigens: (alles mit Computerhilfe gefunden) N 1 2 3 4 # 1 2 4 10 5 24 6 66 7 180 8 522 9 10 11 1532 4624 14136 12 43930 13 137908 14 437502 Eine allgemeine Formel ist dem Autor dieser Aufgabe nicht bekannt, fragen Sie mal Ihre Mathematiklehrerin bzw. Ihren Mathematiklehrer. 69 I1 = 220 mA , I 2 = 220 mA , I 3 = I 4 = 73.3 mA 70 a) 10 Ω b) I1 = 2.4 A , I 2 = 1.4 A , I 3 = I 4 = 0.96 A , I 5 = 0.58 A , I 6 = 0.86 A c) 20 V 71 a) Lösung des Gleichungssystems P1 = 300 W = P2 = 1250 W = U2 b) P = ; R U2 bzw. R1 + R2 U 2 ⋅ ( R1 + R2 ) ergibt R1 = 71 Ω und R2 = 106 Ω. R1 ⋅ R2 500 W bzw. 750 W Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis 5 © 2004 Orell Füssli Verlag AG 72 U2 R Stufe 1: R = 416 Ω, P = 130 W Stufe 2: R = 255 Ω, P = 210 W Stufe 3: R = 169 Ω, P = 310 W Stufe 4: R = 86 Ω, P = 620 W Stufe 5: R = 57 Ω, P = 930 W Stufe 6: R = 50 Ω, P = 1.1 kW a) allgemein: P = b) A wird verbunden mit 1 2 4 B wird verbunden mit 4 4 und 5 5 R 671 Ω 71 Ω 502 Ω P 79 W 740 W 110 W 73 3-stufig 4-stufig P1 R2 P2 R3 R1 1.32 kW 0.66 kW 40 Ω 80 Ω 160 Ω 40 Ω 1.32 kW 80 Ω 0.66 kW 180 Ω P3 R4 0.33 kW 0.29 kW 360 Ω P4 ∆Qmax ∆Qmin 400 kJ 100 kJ 0.15 kW 400 kJ 44 kJ Der 4-stufige Haarföhn hat kaum Vorteile, da die neue vierte Stufe nur eine sehr schwache Wärmeleistung hat. 74 I A I1 I2 A B D V C Wenn man Amperemeter und Voltmeter austauscht, bekommt man die oben stehende Schaltung. Das Amperemeter hat einen sehr kleinen Widerstand, so ist I1 ≈ 0. Das Voltmeter hat einen sehr grossen Widerstand, so fliesst praktisch kein Strom zwischen C und D, somit ist auch I ≈ 0. Das Amperemeter zeigt praktisch keine Stromstärke, und das Voltmeter zeigt ungefähr die Quellenspannung der Schaltung an: ein bisschen weniger als 230 V. Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis © 2004 Orell Füssli Verlag AG 75 a) R U0 −UL ; 2.7 Ω I U c) η = L ; 82 % U0 b) R = 76 Der Widerstand R1 der grossen Glühbirne beträgt nach Herstellerangaben: U2 ; 353 Ω R1 = P Für die kleine Glühlampe gilt: R2 = 6.8 Ω Der Gesamtwiderstand der in Reihe geschalteten Lampen ist: Rtot = R1 + R2 Folglich fliesst durch beide Lampen eine Stromstärke von: I = U Rtot Über der grossen Glühbirne liegt eine Spannung von: U 1 = R1 I = R1 U Rtot U2 Die Leistung der grossen Lampe ist demnach: P1 = U 1 I = R1 2 ; Rtot 144 W U2 Analog gilt für die kleine Glühbirne: P2 = R2 2 ; Rtot 2.8 W 77 a) Die Spannung wird 1:1 geteilt, also 6 V. b) Die Spannung wird 2:1 geteilt, also 8 V. U2 U12 c) R = ; 12 Ω, P1 = = 5.3 W P R (dies ist mehr als die erlaubten 3 W, das Lämpchen leuchtet also heller und wird bald durchbrennen), P3 = P4 = 1.3 W (dies ist weniger als die erlaubten 3 W, diese Lämpchen leuchten einfach weniger hell). 6 6.2 Elektrischer Stromkreis Physik anwenden und verstehen: Lösungen © 2004 Orell Füssli Verlag AG 78 a) Schaltung 2 Schaltung 1 4V 0.3 A 6V 0.2 A 4V 0.3 A 6V 0.2 A Schaltung 4 Schaltung 3 4V 0.3 A 6V 0.2 A 4V 0.3 A 6V 0.2 A b) Bei den Schaltungen 2 und 4 beträgt die Gesamtstromstärke 0.3 A, bei den anderen Schaltungen 0.5 A. Die Leistung ist also bei 2 und 4 am kleinsten. 79 R2 R1 R2 1 x = a) R = mit = R1 1 R1 R1 + R2 +1 x Es wird die Funktion f ( x) = 1 x und g ( x) = 1 dargestellt. = 1+ x 1 +1 x 7 Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis 8 © 2004 Orell Füssli Verlag AG b) Ist ein Widerstand der Parallelschaltung null, so ist der Ersatzwiderstand null. Dies entspricht einem Kurzschluss. Ist ein Widerstand der Parallelschaltung unendlich (entspricht offenem Schalter!), so ist der Ersatzwiderstand gleich dem anderen. 80 ) ( a) R1,2 = 1 RS ± RS2 − 4 RP RS ; R1 = 94.7 Ω und R2 = 5.28 Ω 2 b) Sei RP der Parallelwiderstand und RS der Seriewiderstand, dann folgt aus RR 1 1 1 + = , dass RP = 1 2 , d.h. R1 + R2 muss R1 R2 teilen. R1 R2 RP R1 + R2 Dazu können Sie ein kleines Programm schreiben, das aus zwei Schleifen besteht. In der äusseren Schleife wird R1 von 1 bis 150 hochgezählt und in der inneren R2 von 1 bis 150, wobei jedes Mal die Teilbarkeit geprüft wird. Dann finden Sie unter anderen folgende Lösungen, die aber alle nicht sehr nahe an der Lösung a) sind. c) R1 in Ω R2 in Ω RP in Ω RS in Ω 72 9 8 81 90 10 9 100 110 11 10 121 81 Diese Schaltung heisst Brückenschaltung. Sie lässt sich mit den Kirchhoff’schen Sätzen vollständig verstehen. R1 R3 R5 A B R2 R4 82 a) U1 Batterie 1 U2 Batterie 2 32 V kurzgeschlossen 32 V kurzgeschlossen 30 V 30 V b) U3 = R3 I3 ; 27 V Rtotal bezüglich wirksamer Batterie 64 Ω 60 Ω – I1 I2 500 mA – 400 mA – 375 mA 500 mA 125 mA 100 mA I3 100 mA 125 mA 225 mA Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis 9 © 2004 Orell Füssli Verlag AG Innerer Widerstand 83 Beim Drehen des Zündschlüssels (= Schliessen des Schalters) steigt die Stromstärke I0 stark an. Bedingt durch den Innenwiderstand der Batterie, führt dies zu einer starken Abnahme der Klemmenspannung. I0 Schalter Scheinwerfer Ri Anlasser 84 U K = U 0 − Ri I ; 11.8 V, 10.2 V 85 a) Die Batterie hat einen inneren Widerstand, der in Serie zum Lämpchen geschaltet ist. Wenn ein äusserer Widerstand Ra angeschlossen wird, ist die gemessene Klemmenspannung kleiner als die Quellenspannung U0. U b) Ra = R1 = 1 ; 9.0 Ω P1 = U1 I1 ; 1.44 W I1 U − U1 ; 3.0 Ω c) Ri = 0 I1 U0 ; 0.32 A; U 2 = R1 I 2 ; 2.88 V; P2 = U 2 I 2 ; 0.92 W d) I 2 = 1 21R +R 1 i 2 86 U K = U 0 − Ri I U 0 = 4.7 V; I max = 1.1 A und Ri = 4.3 Ω. Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis 10 © 2004 Orell Füssli Verlag AG 87 U0 Ri ≈ U 0 ⋅ 1 − , falls Ra Ri ; a) U K = Ra ⋅ Ri + Ra Ra b) lim U K = U 0 . Ra →∞ UK U0 Ri Ra 88 a) P = UI ; ja U −UK b) Ri = 0 ; 200 Ω I c) Die Leistung wird maximal für R = Ri. Bei einem Verbraucherwiderstand von 200 Ω 2 U0 U0 wäre die Stromstärke I = , die Leistung also P = R ⋅ ; 0.17 W. R + Ri ( R + Ri ) 2 89 a) Vereinfachende Annahme: Der Lampenwiderstand ist unabhängig von der Stromstärke. 6V RBirne = = 12 Ω 0.5 A R ⋅ 4 ⋅U 0 ; 5.1 V U K = Birne RBirne + 4 ⋅ Ri U K2 b) P = ; 2.2 W RBirne 90 a) R = UK ; I b) I1 = U1 − U K ; R1 7.97 Ω; R1 = 35.7 m; U1 − U K′ ; I′ I2 = I − I1 ; 1.96 Ω 146 mA; R2 = c) Die beiden Batterien werden sehr verschieden belastet. Zwischen den Batterien fliesst ein Ausgleichsstrom. U2 −UK ; I2 0.205 Ω Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis © 2004 Orell Füssli Verlag AG 91 U0 ; 20 A, 12 A und 5.5 A Ri + Ra U K = U 0 − Ri I ; 40 V, 48 V und 55 V I= 92 a) Die Spannung beträgt: U = 5000 ⋅U 0 = 750 V RReihe = 5000 ⋅ R0 = 1250 Ω Die 140 Reihenwiderstände sind noch parallel geschaltet: Rinnen = Somit ist I = RReihe = 8.9 Ω 140 U ; 0.93 A. R ( aussen + Rinnen ) b) Die Stromstärke in den einzelnen Elektrozyten ist 140-mal kleiner als die gesamte Stromstärke: I Reihe = I ; 6.6 mA 140 Somit wird der Aal von seiner eigenen Stromquelle nicht getötet. Spezifischer Widerstand 93 2 l = Rπ r ; 46 m ρel 94 Weil sein Volumen erhalten bleibt, muss seine Querschnittsfläche A auf ein Drittel zurückgehen. Wegen R = ρel l verneunfacht sich sein Widerstand auf 18 Ω. A 95 a) U = Ri 3 I max ; 3.8 V 4 b) I = U = UA ; 6.2 A R ρell 96 cm∆ϑ ; 1.0 kW ∆t ρ lP c) A = el 2 ; 4.3 ⋅10−9 m 2 U a) P = b) I = P ; 4.4 A U 11 6.2 Elektrischer Stromkreis Physik anwenden und verstehen: Lösungen © 2004 Orell Füssli Verlag AG 97 2l ; 0.68 Ω A RKabelU 0 U2 b) U = U 0 − , wobei RMotor = 0 ; 225 V RKabel + RMotor P0 a) RKabel = ρel c) P1 = U2 ; 1.8 kW RMotor d) PKabel (U − U ) = 0 2 RKabel ; 44 W 98 a) lDraht = 11.55 m ; b) RDraht = ρel lDraht ; db d= P= ρel PlDraht bU 2 ; 0.22 mm U 02 RDraht ; 92 W ( Ri + RDraht ) 2 c) I Draht RDraht = U 0 − Ri ( I Draht + I Anlasser ) ; I Draht = 4.0 A ; P = 23 W 99 a) R = ρel,Cu 4l ; 2 πd Cu 3.6 Ω und m = ρCu 2 πd Cu l ; 1.5 t 4 2 ρ el,Al πd Al ; 7.5 mm, m = ρ Al l ; 0.71 t ρ el,Cu 4 b) d Al = d Cu 100 a) Widerstand eines Seils zwischen den Kreuzungsmasten: 34 mΩ; PV = I 2 RSeil ⋅ 6 ; 810 kW b) d = 2 A π ; 51 mm; effektiv ist der Durchmesser grösser, da 2027 mm2 den reinen Materialquerschnitt angibt. c) ρel = R A ; l 3.6 ⋅10−8 Ωm 12 Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis 13 © 2004 Orell Füssli Verlag AG 101 a) Aus U = RI und R = ρ el b) l und m = ρAl folgt l = A mU ; Iρ el ρ 1.43 km ∆l 1 ∆m ∆U ∆I = + + ; 0.081 = 8.1%, also l = 1.43 km ± 0.12 km l 2 m U I Temperaturabhängiger Widerstand 102 U ; 120 Ω. Der Widerstand von Metallen nimmt mit steigender Temperatur I zu. Der Draht der Lampe im Betrieb mit 24 V ist offensichtlich sehr heiss (>2000 °C), sonst würde er nicht so hell mit weissem Licht glühen. a) R = b) 25 Spannung in V 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 Stromstärke in mA c) An jeder Lampe liegt eine Spannung von (230/16) V = 14.4 V. Bei dieser Spannung beträgt die Stromstärke gemäss Diagramm 150 mA. Das ist auch die Stromstärke für die Reihenschaltung. Der Gesamtwiderstand beträgt (230 V/0.15 A) = 1.53 kΩ. 103 a) 6 V·0.6 A = 3.6 W Also «6 V/3.6 W» ist die korrekte Lampeninschrift. b) : b = 0.56 Physik anwenden und verstehen: Lösungen 6.2 Elektrischer Stromkreis 14 © 2004 Orell Füssli Verlag AG 3 c) Aus P = UI ∞ T und R = U ∞ T folgt I ∞ U 5 I b = 0.60 4 2 d) R = U ∞ U3 = U 5 I U5 e) Aus d) folgt mit R ∝ T : T = T0 U in V I in A R in Ω T in K 1.0 0.22 4.5 1.6 ⋅103 2.0 0.32 6.3 2.2 × 103 R , T0 = 353 K, R0 = 1.0 Ω R0 3.0 0.41 7.3 2.6 ⋅103 4.0 0.48 8.3 2.9 ⋅103 5.0 0.54 9.3 3.3 ⋅103 6.0 0.60 10 3.5 ⋅103 104 Es handelt sich um Kennlinien bei unterschiedlicher, aber jeweils konstanter Temperatur. Bei 1 ist der Widerstand kleiner und die Temperatur tiefer als bei 2. 105 Bei 1 nimmt der Quotient U/I mit zunehmender Spannung ab. Das bedeutet, dass der Ohm‘sche Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt. 1 ist also die Kennlinie des NTC-Widerstandes, 2 die des PTC-Widerstandes. 106 Nach Einstellung einer Spannung nimmt die Stromstärke zu, weil sich der Widerstand aufheizt und daher besser leitet. Bei den ersten Messungen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der elektrischen Leistung Pzu = UI und der durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung abgegebenen Leistung Pab = Q t ein. Dadurch wird auch die Temperatur stabil und die Stromstärke steigt nicht weiter. Bei der letzten Messung nimmt über längere Zeit die Stromstärke und damit die elektrische Leistung schneller zu als die abgegebene Wärmeleistung. Bevor sich ein neues Gleichgewicht einstellen kann, ist eine Temperatur erreicht, bei der der Widerstand schmilzt. 107 Die Spannung U0 der Spannungsquelle wird in der Serienschaltung aufgeteilt: U 0 = U NTC + U Lampe U NTC U Lampe = RNTC RLampe Wenn nach dem Einschalten die Temperatur der beiden Widerstände durch die elektrische Energiezufuhr steigt, nimmt RNTC ab und RLampe zu. Somit nimmt auch UNTC ab und ULampe zu. Die Stromstärke in der Reihenschaltung kann sich auch verändern. Aber offensichtlich nimmt sie kaum ab, sondern eher zu, so dass die Leistung der Lampe P = U Lampe I mit steigender Temperatur zunimmt. Die Teilspannungen sind proportional zu den Widerständen: 6.2 Elektrischer Stromkreis Physik anwenden und verstehen: Lösungen 15 © 2004 Orell Füssli Verlag AG 108 a) RGlüh RGlüh RGlüh RNTC RNTC RNTC b) Der NTC-Widerstand darf sich nicht stark aufheizen und der Strom, der durch ihn fliesst, trägt nicht zur gewünschten Lichtproduktion bei. Im kalten Zustand hat der Glühdraht einen viel kleineren Widerstand als der NTC-Widerstand. Dadurch fliesst bei gleicher Spannung mehr Strom durch den Glühdraht. Die Leistung ist für den Glühdraht höher, und er wird so heiss, dass er glüht. Aber auch dann ist sein Widerstand immer noch deutlich kleiner als der des NTC-Widerstandes. c) Wenn ein Glühdraht durchbrennt, hat der verbleibende, kalte NTC-Widerstand einen viel grösseren Widerstandswert als die übrigen, intakten Lampen. In der Reihenschaltung entfällt also auf ihn ein grosser Teil der Netzspannung. Dadurch heizt er sich auf, und sein Widerstandswert geht zurück. Parallel dazu geht auch die Teilspannung, die auf ihn entfällt, zurück. Im Vergleich zu a) ist die Teilspannung an der (defekten) Lampe und die Stromstärke wieder etwa gleich gross. Der NTCWiderstand ist heisser, aber nicht so heiss, dass er glüht. d) Offensichtlich kann es vorkommen, dass die in c) beschriebenen Vorgänge zu einer grösseren Stromstärke in der Serienschaltung führen. Das geschieht, wenn der Widerstand des heissen NTC-Widerstandes in einer defekten Lampe kleiner als der Gesamtwiderstand einer intakten Lampe ist. Bei mehreren durchgebrannten Lampen kann es so zu einer Überhitzung der übrigen Lampen kommen, die dann auch durchbrennen. Schliesslich kann es zu einer Überhitzung der Zuleitungen und Verbindungsdrähte mit Brandgefahr kommen.