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Elektrische Leistung

Lehrpläne: KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2

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Ziel

Bestimmen Sie die Leistung der Glühlampen, \(P = U \cdot I\), und vergleichen Sie ihre Helligkeit in Parallel- und in Reihenschaltung.

Aufbau

Zwei Stromkreise, die von 6-V-Quellen gespeist werden, mit Glühlampen 6 V / 3 W und 6 V / 1 W. Oben sind die Lampen parallel geschaltet, jede mit einem eigenen Amperemeter, und das Voltmeter zeigt die Spannung an den Lampen. Unten sind sie in Reihe geschaltet, mit einem Amperemeter und einem Voltmeter an der 1-W-Lampe.

Durchführung

  1. Vergleichen Sie die Helligkeit der Lampen in jedem Stromkreis.
  2. Berechnen Sie im oberen Stromkreis die Leistung jeder Lampe: \(P = U \cdot I\), wobei \(U\) der Messwert des Voltmeters ist.
  3. Berechnen Sie im unteren Stromkreis die Leistung der 1-W-Lampe und schätzen Sie die Spannung an der 3-W-Lampe ab: 6 V abzüglich des Messwerts des Voltmeters.
Erwartetes Ergebnis

Parallel: etwa 5,6 V an den Lampen – ein Teil der 6 V geht in der Quelle selbst verloren; 3-W-Lampe – etwa 478 mA, 2,7 W; 1-W-Lampe – etwa 160 mA, 0,9 W; beide bleiben etwas unter ihrer Nennleistung, und die leistungsstärkere Lampe ist heller. In Reihe: Die Stromstärke beträgt etwa 151 mA, und an der 1-W-Lampe liegen etwa 5,09 V (0,77 W); für die 3-W-Lampe ergibt die Abschätzung etwa 0,9 V (tatsächlich etwa 0,8 V – in der Quelle und im Amperemeter geht etwas mehr verloren), und sie glüht kaum. Die Lampe mit dem größeren Widerstand leuchtet heller.

Fragen

  1. Warum leuchtet die Lampe mit der kleineren Leistung in Reihenschaltung heller?
  2. Wie viel Energie verbraucht die 3-W-Lampe in einer Stunde?
Antworten
  1. In Reihe fließt durch beide Lampen derselbe Strom, daher nimmt nach \(P = I^2 R\) die Lampe mit dem größeren Widerstand mehr Leistung auf. Aus den Nennwerten ergibt \(R = U^2 / P\) für die 1-W-Lampe 36 Ω und für die 3-W-Lampe 12 Ω, deshalb liegt an der 1-W-Lampe der größte Teil der Spannung: etwa 5,09 V und 0,77 W gegenüber etwa 0,8 V und 0,12 W an der 3-W-Lampe.
  2. \(E = P \cdot t\) = 3 W × 3600 s = 10 800 J oder 3 W·h. In diesem Aufbau nimmt sie in der Parallelschaltung etwa 2,7 W auf, das ergibt etwa 9,7 kJ in einer Stunde.