Physiktest: Elektrische Größen und Grundlagen

In der 9. Klasse lernst du wichtige elektrische Größen und ihre Beziehungen kennen:

• Ladung $Q$ wird in Coulomb $C$ gemessen
• Leistung $P$ wird in Watt $W$ gemessen
• Stromstärke $I$ wird in Ampere $A$ gemessen
• Widerstand $R$ wird in Ohm $Ω$ gemessen
• Spannung $U$ wird in Volt $V$ gemessen

Für Messungen und Nachweise von elektrischen Ladungen lernst du:

• Verschiedene Geräte zum Ladungsnachweis $z.B. Elektroskop, Glimmlampe$
• Deren Aufbau und Funktionsweise
• Die Unterschiede beim Nachweis positiver und negativer Ladungen

Bei der Arbeit mit elektrischen Bauteilen sind folgende Punkte wichtig:

• Kennlinien zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Spannung und Stromstärke
• Überprüfung, ob das Ohmsche Gesetz gilt
• Berechnung von Widerständen mit der Formel: R = U / I

Wichtige Formel: Die Stromstärke I berechnet sich aus Ladung Q und Zeit t nach der Formel I = Q/t. Alternativ kannst du die Stromstärke auch aus Spannung und Widerstand berechnen: I = U/R.

Praktische Anwendungsaufgaben umfassen:

• Berechnung des Widerstands einer Spule bei gegebener Spannung und Stromstärke
• Ermittlung der Stromstärke in Geräten, die an der Netzspannung $230V$ betrieben werden

Zusammenhang elektrischer Größen und Energiewandlung

Der Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand ist grundlegend für das Verständnis elektrischer Stromkreise:

• Die Spannung $U$ ist die treibende Kraft für den elektrischen Strom
• Die Stromstärke $I$ gibt an, wie viele Elektronen pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließen
• Der Widerstand $R$ hemmt den Stromfluss

Diese drei Größen hängen durch das Ohmsche Gesetz zusammen, das als R = U/I oder U = R·I oder I = U/R ausgedrückt werden kann.

Merksatz: Das Ohmsche Gesetz besagt, dass bei konstantem Widerstand die Stromstärke proportional zur angelegten Spannung ist. Diese Beziehung gilt allerdings nicht für alle elektrischen Bauteile!

Ein wichtiges Konzept ist die Energiewandlung in elektrischen Geräten:

• Elektrische Geräte sollten nicht als "Verbraucher" bezeichnet werden
• Sie verbrauchen weder Strom noch Elektronen
• Stattdessen sind sie Energiewandler, die elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln: Wärmeenergie $z.B. Heizplatte$ Lichtenergie $z.B. Lampe$ Bewegungsenergie $z.B. Motor$ Chemische Energie $z.B. Akku beim Laden$

Die korrekte Bezeichnung ist daher "Energiewandler" statt "Verbraucher".

Geräte zum Nachweis elektrischer Ladungen

Um elektrische Ladungen nachzuweisen, verwenden wir in der Physik spezielle Instrumente:

Das Elektroskop

• Besteht aus einem Metallstab mit beweglichem Zeiger
• An den oberen Teil hält man den zu prüfenden Gegenstand
• Die Elektronen wandern zum Metallstab und der Zeiger schlägt aus
• Je stärker der Ausschlag, desto höher die Ladung
• Mit dem Elektroskop kann man nur feststellen, ob ein Gegenstand geladen ist, aber nicht, ob positiv oder negativ

Wichtiger Hinweis: Das Elektroskop zeigt die Stärke der Ladung an, aber nicht deren Art $positiv oder negativ$. Für die Bestimmung der Ladungsart benötigst du eine Glimmlampe.

Die Glimmlampe

• Hat zwei Elektroden $ähnlich einem Kondensator$
• Zeigt sowohl die Anwesenheit als auch die Art der Ladung an
• Funktionsweise: Wenn die Glimmlampe beim Annähern eines Gegenstands leuchtet, ist der Gegenstand elektrisch geladen Leuchtet die Glimmlampe an der vom Gegenstand abgewandten Seite, ist der Gegenstand positiv geladen Leuchtet sie auf der Seite, die dem Gegenstand zugewandt ist, ist der Gegenstand negativ geladen

Diese Geräte sind grundlegend für das Verständnis der elektrischen Phänomene in der 9. Klasse Physik.

Das Ohmsche Gesetz und Widerstandsberechnungen

Das Ohmsche Gesetz ist ein zentrales Konzept, das du in der 9. Klasse lernen wirst:

• Es beschreibt die Beziehung zwischen Spannung $U$, Stromstärke $I$ und Widerstand $R$
• Die Formel lautet: R = U/I oder U = R·I oder I = U/R

Wichtiges Kriterium: Das Ohmsche Gesetz gilt nur, wenn Spannung und Stromstärke proportional zueinander sind. Dies ist nicht bei allen elektrischen Bauteilen der Fall!

Um festzustellen, ob das Ohmsche Gesetz gilt, kannst du:

• Messwerte von Spannung und Stromstärke in einer Tabelle erfassen
• Eine Kennlinie zeichnen $Diagramm mit U auf der x-Achse und I auf der y-Achse$
• Wenn die Kennlinie eine Gerade durch den Ursprung ist, gilt das Ohmsche Gesetz

Praktische Berechnungsbeispiele:

Beispiel 1: Widerstand einer Spule berechnen

• Gegeben: U = 9 V, I = 600 mA = 0,6 A
• Gesucht: R
• Formel: R = U/I
• Berechnung: R = 9 V ÷ 0,6 A = 15 Ω
• Ergebnis: Die Spule hat einen Widerstand von 15 Ohm

Beispiel 2: Stromstärke berechnen

• Gegeben: U = 230 V, R = 90 Ω
• Gesucht: I
• Formel: I = U/R
• Berechnung: I = 230 V ÷ 90 Ω = 2,56 A
• Ergebnis: Durch das Gerät fließt eine Stromstärke von etwa 2,6 A

Diese Berechnungen sind wichtig, um den benötigten Widerstand zu berechnen oder die Stromstärke aus Leistung und Spannung zu ermitteln.

Stromkreise und Energiewandlung

In elektrischen Stromkreisen ist es wichtig zu verstehen, dass Strom nicht verbraucht wird:

• Elektrische Geräte verbrauchen weder Strom noch Elektronen
• Sie wandeln lediglich elektrische Energie in andere Energieformen um
• Daher ist der Begriff "Verbraucher" für elektrische Geräte irreführend
• Der korrekte Begriff ist "Energiewandler"

Energiewandlung: Elektrische Geräte wandeln elektrische Energie in verschiedene Energieformen um, wie Wärmeenergie, Lichtenergie oder mechanische Energie. Die Gesamtenergie bleibt dabei erhalten!

Das Zusammenspiel der elektrischen Größen:

• Spannung $U$: Sie bestimmt, wie stark der Strom angetrieben wird
• Widerstand $R$: Er gibt an, wie stark der Stromfluss gehemmt wird
• Stromstärke $I$: Sie zeigt, wie schnell oder wie viele Elektronen pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließen

Diese drei Größen sind durch das Ohmsche Gesetz miteinander verbunden:

• Je höher der Widerstand, desto geringer die Stromstärke $bei gleicher Spannung$
• Die Spannung bestimmt, wie stark die Elektronen angetrieben werden

Um diese Beziehung zu veranschaulichen, kann man ein einfaches Dreieck nutzen:

• Die Spitze des Dreiecks steht für die Spannung $U$
• Die linke untere Ecke für die Stromstärke $I$
• Die rechte untere Ecke für den Widerstand $R$

Dies hilft dir, die Formeln des Ohmschen Gesetzes leicht zu merken und anzuwenden - ein zentrales Element für die Physik in Klasse 9.

Elektrische Grundgrößen und Kirchhoffsche Gesetze

Elektrische Grundgrößen nochmals im Überblick:

• Ladung $Q$: Wird in Coulomb $C$ gemessen
• Spannung $U$: Gibt an, wie stark der Strom angetrieben wird, gemessen in Volt $V$
• Widerstand $R$: Beschreibt die Hemmung des Stromflusses, gemessen in Ohm $Ω$
• Stromstärke $I$: Zeigt, wie schnell Elektronen im Leiter fließen, also die Anzahl der Elektronen pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt, gemessen in Ampere $A$

Wichtige Definition: Die Stromstärke $I$ ist die Ladungsmenge $Q$, die pro Zeiteinheit $t$ durch einen Leiterquerschnitt fließt. Die Formel lautet: I = Q/t.

Die Kirchhoffschen Gesetze:

Gustav Kirchhoff hat zwei wichtige Gesetze für elektrische Stromkreise formuliert, die du für die Übungen zum Ohmschen Gesetz verwenden kannst:

Reihenschaltung:

• Bei einer Reihenschaltung fließt durch alle Bauteile die gleiche Stromstärke
• Die Gesamtspannung verteilt sich auf die einzelnen Bauteile
• Die Widerstände addieren sich: Rgesamt = R1 + R2 + R3 + ...

Parallelschaltung:

• Bei einer Parallelschaltung liegt an allen Bauteilen die gleiche Spannung an
• Die Gesamtstromstärke teilt sich auf die einzelnen Zweige auf
• Für den Gesamtwiderstand gilt: 1/Rgesamt = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...

Das Verständnis dieser Schaltungsarten ist grundlegend für den Aufbau komplexerer Stromkreise und für praktische Beispiele zum Ohmschen Gesetz.