Was ist elektrischer Strom?

Was ist elektrischer Strom? Übung

• Erkläre den elektrischen Strom.

  Tipps

  Elektrischer Strom ist der Fluss von elektrischen Ladungen: den Ladungsträgern.

  Metalle sind gute Leiter. Kunststoffe hingegen sind schlechte Leiter.

  Lösung

  Elektrischer Strom ist der gerichtete Fluss von elektrischen Ladungsträgern durch einen Leiter. Die Ladungsträger sind elektrisch geladene Teilchen. Die häufigsten Ladungsträger sind Elektronen (negativ geladen) und Ionen (positiv oder negativ geladen).

  Strom fließt vor allem gut durch gute Leiter wie Metalle (z. B. Kupfer), aber schlecht durch Isolatoren wie Kunststoffe (z. B. Gummi).

  Die Stromstärke $I$ wird als Verhältnis von Ladungsmenge ($Q$) zu Zeit ($t$) definiert. Sie zeigt an, wie viele Ladungen pro Zeiteinheit vorbeifließen, und wird in Ampere ($1~\text{A}$) gemessen.

  Es gilt:

  Stromstärke $I = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t}$

• Ordne die Größen des Stromkreises den Analogien im Autoverkehr zu.

  Tipps

  Ein elektrischer Leiter ist ein Material, das elektrischen Strom gut leitet.

  Ladungsträger in einem elektrischen Stromkreis sind die Teilchen, welche die elektrische Ladung transportieren, beispielsweise Elektronen.

  Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viele Ladungsträger pro Sekunde durch einen Leiter fließen.

  Die Spannung im Stromkreis stellt den „Antrieb“ in ihrem System dar.

  Lösung

  Elektrischer Leiter $\leftrightarrow$ Straße:

  Ein elektrischer Leiter ist ein Material, das elektrischen Strom gut leitet, ähnlich wie eine Straße den Verkehr ermöglicht. In beiden Fällen handelt es sich um den Pfad, auf dem etwas fließt – sei es elektrischer Strom oder der Verkehr.

  Ladungsträger $\leftrightarrow$ Autos:

  Ladungsträger in einem elektrischen Stromkreis sind die Teilchen, welche die elektrische Ladung transportieren, beispielsweise Elektronen. Ähnlich dazu sind Autos auf der Straße die Fahrzeuge, die Personen oder eine Fracht von einem Ort zu einem anderen transportieren.

  Elektrische Stromstärke $\leftrightarrow$ Autostromstärke:

  Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viele Ladungsträger pro Sekunde durch einen Leiter fließen. In Bezug auf den Verkehr auf der Straße kann die „Autostromstärke“ als die Anzahl der Autos pro Zeiteinheit auf einer bestimmten Straße betrachtet werden. Beide Konzepte messen die Intensität des Flusses innerhalb ihres jeweiligen Systems.

  Spannung im Stromkreis $\leftrightarrow$ Geschwindigkeit der Autos:

  Die Spannung im Stromkreis kann als das Pendant zur Geschwindigkeit auf der Straße betrachtet werden, da beide den „Antrieb“ in ihrem jeweiligen System darstellen.

• Entscheide, ob es sich um einen elektrisch guten oder schlechten Leiter handelt.

  Tipps

  Metalle sind elektrisch gute Leiter.

  Kunststoffe sind elektrisch schlechte Leiter.

  Eisen ist ein Metall.

  Getränkedosen bestehen in der Regel aus Aluminium – einem Metall.

  Ein Reißverschluss besteht oft aus Metall – insbesondere die Zähne des Reißverschlusses.

  Lösung

  Elektrisch gute Leiter:

  • Eisen: Eisen ist als Metall generell ein guter Leiter. Elektrischer Strom kann leicht durch Metalle fließen, da sie eine hohe Anzahl von frei beweglichen Elektronen haben.
  • Schlüsselbund: Schlüssel bestehen oft aus Metall, wodurch der bzw. das Schlüsselbund ein guter Leiter ist. Die Metallteile ermöglichen den Fluss von elektrischem Strom.
  • Getränkedose: Getränkedosen bestehen in der Regel aus Aluminium – einem Metall. Dadurch ist die Getränkedose ein guter Leiter von elektrischem Strom.
  • Reißverschluss: Ein Reißverschluss besteht oft aus Metall – insbesondere die Zähne des Reißverschlusses. Das macht den Reißverschluss zu einem guten elektrischen Leiter.

  
  

  Elektrisch schlechte Leiter:

  • Plastiktüte: Plastik bzw. Kunststoffe sind keine guten Leiter von elektrischem Strom. Denn Elektronen können sich darin nicht frei bewegen. Daher ist eine Plastiktüte ein schlechter Leiter.
  • Plastikflasche: Ähnlich wie bei der Plastiktüte sind Kunststoffe wie in Plastikflaschen keine guten Leiter, da sie keine frei beweglichen Ladungsträger haben.
  • Plastikbecher: Auch hier handelt es sich um einen Gegenstand aus Kunststoff, der keine guten Leitereigenschaften aufweist. Elektrischer Strom kann nämlich nicht gut durch Plastikbecher fließen.

• Berechne die Stromstärke $I$.

  Tipps

  Die Formel für die Stromstärke $I$ lautet:

  $I = \dfrac{Q}{t}$

  Dabei beschreibt $Q$ die Ladungsmenge und $t$ die vergangene Zeit.

  Die gegebene Ladungsmenge $Q$ beträgt $15~\text{C}$.

  Die gegebene Zeit $t$ beträgt $2{,}5~\text{min}$. Da die Formel die Zeit in Sekunden erfordert, musst du die Zeit in Sekunden umrechnen.

  Die Umrechnung von Minuten ($\text{min}$) auf Sekunden ($\text{s}$) beträgt:

  $1~\text{min}=60~\text{s}$

  Für diese Aufgabe ergibt sich demnach:

  $2{,}5~\text{min}\cdot60=150~\text{s}$

  $2{,}5~\text{min}$ sind umgerechnet also $150~\text{s}$.

  Lösung

  Die Formel für die Stromstärke $I$ lautet:

  $I = \dfrac{Q}{t}$

  Dabei ist $Q$ die Ladungsmenge und $t$ die Zeit.

  Die gegebene Ladungsmenge $Q$ beträgt $15~\text{C}$. Die gegebene Zeit $t$ beträgt $2{,}5~\text{min}$. Da die Formel die Zeit in Sekunden erfordert, müssen wir die Zeit in Sekunden umrechnen. Für die Umrechnung gilt:

  $1~\text{min}=60~\text{s}$ $\rightarrow$ $2{,}5~\text{min}\cdot60=150~\text{s}$

  Nun setzen wir die Werte in die Formel ein:

  $I = \dfrac{Q}{t}$ $\Rightarrow I=\dfrac{15~\text{C}}{150~\text{s}}$

  Daraus ergibt sich:

  $I=0{,}1~\text{A}$

  Die Stromstärke während der Elektrolyse beträgt somit $ I= 0{,}1~\text{A}$.

• Ermittle die richtige Aussage zum elektrischen Strom.

  Tipps

  Elektrischer Strom besteht aus bewegten Ladungsträgern.

  Elektrischer Strom kann nicht durch Vakuum übertragen werden, da ein Medium mit beweglichen Ladungsträgern erforderlich ist, um den Stromfluss zu ermöglichen.

  Die Schallgeschwindigkeit hängt von den mechanischen Eigenschaften des Mediums ab und wird nicht durch elektrischen Strom beeinflusst.

  Es handelt sich um einen physikalischen Prozess, der auf der Bewegung von Ladungsträgern basiert und keine Eigenschaften wie Geschmack oder Geruch hat.

  Lösung

  • Elektrischer Strom besteht aus Ladungsträgern wie Elektronen oder Ionen.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Elektrischer Strom besteht tatsächlich aus bewegten Ladungsträgern. Ladungsträger sind Teilchen, die eine elektrische Ladung tragen und somit den Fluss von elektrischem Strom ermöglichen. Die häufigsten Ladungsträger sind Elektronen, die negativ geladen sind, sowie Ionen, die positiv oder negativ geladen sein können. Diese Ladungsträger bewegen sich aufgrund einer elektrischen Spannung durch einen Leiter und erzeugen so den Fluss von elektrischem Strom.

  • Elektrischer Strom kann durch Vakuum ohne jeglichen Materialeinsatz übertragen werden.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch: Elektrischer Strom kann nicht durch Vakuum übertragen werden, da ein Medium mit beweglichen Ladungsträgern erforderlich ist, um den Stromfluss zu ermöglichen.

  • Elektrischer Strom kann Geschmack und Geruch besitzen, wenn er in ausreichend großer Menge vorhanden ist.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist auch falsch: Elektrischer Strom besitzt weder Geschmack noch Geruch. Es handelt sich um einen physikalischen Prozess, der auf der Bewegung von Ladungsträgern basiert und keine Eigenschaften wie Geschmack oder Geruch hat.

  • Elektrischer Strom kann die Schallgeschwindigkeit in Luft erhöhen, wenn er stark genug ist.

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist ebenfalls falsch: Elektrischer Strom kann die Schallgeschwindigkeit in Luft nicht erhöhen. Die Schallgeschwindigkeit hängt von den mechanischen Eigenschaften des Mediums ab und wird nicht durch elektrischen Strom beeinflusst.

• Beschreibe die Analogie zwischen elektrischer Stromstärke und Wasserstromstärke.

  Tipps

  Eine Wasserpipeline ist ein System aus Rohren und Leitungen, das dazu dient, Wasser von einer Quelle, wie einem Fluss, einem See oder einem Wasserreservoir, zu einem bestimmten Zielort zu transportieren.

  Die Durchflussrate ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Material oder Substanz pro Zeiteinheit durch ein bestimmtes System fließt.

  In einer Wasserpipeline steht die Durchflussrate für die Menge an Wasser, die pro Zeiteinheit durch die Leitung fließt, während in einem elektrischen Stromkreis die Stromstärke die Menge an elektrischer Ladung pro Zeiteinheit darstellt.

  Lösung

  In der Wasserpipeline entspricht die Durchflussrate der elektrischen Stromstärke in einem Stromkreis. Die Wasserstromstärke hängt von der Menge an Wasser ab, die durch die Pipeline fließt, und wird in Litern pro Sekunde gemessen. In einem elektrischen Stromkreis repräsentiert die elektrische Stromstärke (gemessen in Ampere) die Menge an elektrischen Ladungen, die pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließt.

  Je größer die Durchflussrate in der Wasserpipeline ist, desto mehr Wasser fließt durch sie. Ähnlich verhält es sich in einem elektrischen Stromkreis: Eine höhere elektrische Stromstärke bedeutet, dass sich mehr elektrische Ladungen pro Sekunde durch den Leiter bewegen.

  Es ist wichtig zu beachten, dass die Durchflussrate in der Wasserpipeline und die elektrische Stromstärke im Stromkreis nicht mit der Geschwindigkeit der Teilchenbewegung verwechselt werden sollten: Die Teilchen im Wasser bewegen sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, aber die elektrische Stromstärke repräsentiert die Anzahl der Ladungsträger, die pro Zeiteinheit vorbeiströmt.