Zielformeln:
Gültigkeit/Annahmen:
gilt universell für jedes elektrische Gerät (es werden nur die Definitionen von und benutzt). - Die Erweiterungen
setzen zusätzlich das Ohm'sche Gesetz voraus (ohmscher Leiter mit konstantem , z. B. Heizdraht; bei der Glühbirne ändert sich mit der Temperatur — nur näherungsweise gültig). - Gilt für Gleichstrom sowie für Effektivwerte beim Wechselstrom (S. 5).
Verwendete Formeln
| Formel | Name | Formelnheft |
|---|---|---|
| Elektr. Verschiebungsarbeit → umgestellt | ✅ S. 4 („Elektr. Verschiebungsarbeit") | |
| Elektrischer Strom | ✅ S. 4 („Elektrischer Strom") | |
| Leistung | ✅ S. 2 („ | |
| Stromleistung — die Zielformel selbst | ✅ S. 4 („Stromleistung") | |
| Stromarbeit | ✅ S. 4 („Stromarbeit") | |
| Ohm'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
- Spannung = Energie pro Ladung. S. 4 „Elektr. Verschiebungsarbeit" gibt
; umgestellt: Bedeutung: die Energie, die jedes Coulomb Ladung beim Durchgang durch das Gerät abgibt (J/C = V). - Strom = Ladung pro Zeit. S. 4 „Elektrischer Strom":
Bedeutung: die pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließende Ladung (C/s = A).
Schritt 2 — Leistung = Produkt der beiden Definitionen
- Definition der Leistung (S. 2):
(pro Sekunde umgesetzte Energie). - Erweitern — Zähler und Nenner mit
(identische Umformung, ): - Die Definitionen aus Schritt 1 einsetzen:
Merksatz: „Energie pro Ladung × Ladung pro Zeit" = Energie pro Zeit. Einheitenprobe: ✓. - Physikalisches Bild: Die Elektronen „reiben" an den Atomrümpfen und geben die Energie als Joule'sche Wärme ab (Föhn, Herdplatte).
Schritt 3 — Erweiterung 1: Stromarbeit
Aus
Identisch mit Formelnheft S. 4 „Stromarbeit
Schritt 4 — Erweiterung 2: Ohm'sches Gesetz einsetzen
Zusatzannahme: ohmscher Leiter,
eliminieren mit : eliminieren mit : - Anwendungshinweise:
erklärt die Übertragungsverluste (bei fester Übertragungsleistung: Hochspannung → kleiner Strom → kleine Verluste); erklärt das Hausnetz ( V fest: großes = kleiner Widerstand).
Schritt 5 — kWh-Umrechnung und Rechenbeispiel (mit Probe)
- Kilowattstunde: Der Stromzähler misst die Stromarbeit
. - Beispiel: Föhn 2000 W / 230 V.
- Strom:
. - Widerstand (ohmsche Näherung):
. - Unabhängige Probe (Rückeinsetzen in die Erweiterung):
W ✓. - 15 min Betrieb:
kWh J. - Konsistent mit dem Skriptum (§14.5:
A, — viel kleiner als bei der 60-W-Glühbirne).
- Strom:
Variablentabelle
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| (elektrische) Leistung | W = J/s | |
| Spannung = Energie pro Ladung | V = J/C | |
| Stromstärke = Ladung pro Zeit | A = C/s | |
| (elektrische) Arbeit / Energie | J (praktisch kWh, | |
| Ladung | C | |
| Zeit | s | |
| Widerstand (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
: H02