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Zielformeln:

P=UIErweiterungen:Wel=UIt,P=I2R=U2R

Gültigkeit/Annahmen:

  • P=UI gilt universell für jedes elektrische Gerät (es werden nur die Definitionen von U und I benutzt).
  • Die Erweiterungen P=I2R=U2/R setzen zusätzlich das Ohm'sche Gesetz voraus (ohmscher Leiter mit konstantem R, z. B. Heizdraht; bei der Glühbirne ändert sich R mit der Temperatur — nur näherungsweise gültig).
  • Gilt für Gleichstrom sowie für Effektivwerte beim Wechselstrom (S. 5).

Verwendete Formeln

FormelNameFormelnheft
W=ΔφQ=UQElektr. Verschiebungsarbeit → umgestellt U=W/Q✅ S. 4 („Elektr. Verschiebungsarbeit")
I=ΔQΔtElektrischer Strom✅ S. 4 („Elektrischer Strom")
P=ΔWΔtLeistung✅ S. 2 („P=ΔW/Δt")
Pel=UIStromleistung — die Zielformel selbst✅ S. 4 („Stromleistung")
Wel=QU=IUtStromarbeit✅ S. 4 („Stromarbeit")
R=ΔUΔIOhm'sches Gesetz✅ S. 4 („Ohm")

✎ Die Zielformel steht zwar ✅ im Formelnheft, aber bei der mündlichen Prüfung muss man sie aus den Definitionen herleiten können — „warum ist Spannung mal Strom eine Leistung?"

Herleitung (Schritt für Schritt)

Schritt 1 — zwei Definitionen

  1. Spannung = Energie pro Ladung. S. 4 „Elektr. Verschiebungsarbeit" gibt W=UQ; umgestellt:U=WQBedeutung: die Energie, die jedes Coulomb Ladung beim Durchgang durch das Gerät abgibt (J/C = V).
  2. Strom = Ladung pro Zeit. S. 4 „Elektrischer Strom":I=QtBedeutung: die pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließende Ladung (C/s = A).

Schritt 2 — Leistung = Produkt der beiden Definitionen

  1. Definition der Leistung (S. 2): P=Wt (pro Sekunde umgesetzte Energie).
  2. Erweitern — Zähler und Nenner mit Q (identische Umformung, Q0):P=Wt=WQQt
  3. Die Definitionen aus Schritt 1 einsetzen:P=UIMerksatz: „Energie pro Ladung × Ladung pro Zeit" = Energie pro Zeit. Einheitenprobe: VA=JCCs=Js=W ✓.
  4. Physikalisches Bild: Die Elektronen „reiben" an den Atomrümpfen und geben die Energie als Joule'sche Wärme ab (Föhn, Herdplatte).

Schritt 3 — Erweiterung 1: Stromarbeit Wel=UIt

Aus P=W/t folgt W=Pt; mit P=UI:

Wel=UIt

Identisch mit Formelnheft S. 4 „Stromarbeit Wel=QU=IUt" (Q=It ist die umgestellte Definition aus Schritt 1).

Schritt 4 — Erweiterung 2: Ohm'sches Gesetz einsetzen

Zusatzannahme: ohmscher Leiter, R=U/I konstant (S. 4).

  1. U eliminieren mit U=RI:P=UI=(RI)I=I2R
  2. I eliminieren mit I=U/R:P=UI=UUR=U2R
  3. Anwendungshinweise: I2R erklärt die Übertragungsverluste (bei fester Übertragungsleistung: Hochspannung → kleiner Strom → kleine Verluste); U2/R erklärt das Hausnetz (U=230 V fest: großes P = kleiner Widerstand).

Schritt 5 — kWh-Umrechnung und Rechenbeispiel (mit Probe)

  1. Kilowattstunde: Der Stromzähler misst die Stromarbeit Wel.1 kWh=1000 W3600 s=3,6106 J
  2. Beispiel: Föhn 2000 W / 230 V.
    • Strom: I=PU=2000 W230 V8,70 A.
    • Widerstand (ohmsche Näherung): R=UI=2308,7026,4 Ω.
    • Unabhängige Probe (Rückeinsetzen in die Erweiterung): P=U2R=230226,4=5290026,42004 W2000 W ✓.
    • 15 min Betrieb: Wel=2 kW0,25 h=0,5 kWh =1,8106 J.
    • Konsistent mit dem Skriptum (§14.5: I8,7 A, R26 Ω — viel kleiner als bei der 60-W-Glühbirne).

Variablentabelle

SymbolBedeutungSI-Einheit
P(elektrische) LeistungW = J/s
USpannung = Energie pro Ladung W/QV = J/C
IStromstärke = Ladung pro Zeit Q/tA = C/s
W, Wel(elektrische) Arbeit / EnergieJ (praktisch kWh, 1 kWh=3,6106 J)
QLadungC
tZeits
RWiderstand (beim ohmschen Leiter konstant)Ω = V/A

Verknüpfungen

  • Skriptum: Thema 14 §14.5 (Definitionen, Kurzherleitung und 230-V/2000-W-Beispiel identisch)
  • Übertragungsverluste und Trafo: Thema 14 §14.10
  • Mechanische Leistungsdefinition P=ΔW/Δt: H02