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Elektrische Arbeit und Leistung

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

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Ziel

Messen Sie die Leistung, die die Lampe aufnimmt, und die Energie, die der Strom im Lauf der Zeit überträgt; prüfen Sie nach, dass \(E = P \cdot t\) gilt.

Aufbau

Eine 6-V-Quelle, ein Wattmeter und eine Glühlampe 6 V / 3 W. Der Strompfad des Wattmeters (Anschlüsse „±“ und „A“) liegt in Reihe mit der Lampe, der Spannungspfad (Anschlüsse „±“ und „V“) parallel zur Lampe. Die obere Zeile der Anzeige zeigt die Leistung, die untere die Energie oder die Zähldauer: Zwischen ihnen schalten die Tasten W und t um. Die Zählung steht, bis die Taste ▶■ gedrückt wird.

Durchführung

  1. Notieren Sie die Leistung \(P\) in der oberen Zeile der Anzeige.
  2. Drücken Sie ▶■ und nach 10–20 s erneut, um die Zählung zu stoppen. Notieren Sie die Energie \(E\) (Taste W) und die Zeit \(t\) (Taste t).
  3. Berechnen Sie \(P = E / t\) und vergleichen Sie den Wert mit der Anzeige in der oberen Zeile.
  4. Stellen Sie die Quelle auf 3 V ein und notieren Sie erneut die Leistung.
Erwartetes Ergebnis

Die Lampe nimmt etwa 2,75 W auf – etwas weniger als ihre Nennleistung: Ein Teil der Spannung fällt in der Quelle ab. Zum Beispiel erreicht der Zähler in 10,8 s etwa 29,7 J, und \(E / t\) = 2,75 W – genauso viel wie in der oberen Zeile. Bei 3 V beträgt die Leistung etwa 0,89 W: Die Spannung ist auf die Hälfte gesunken, die Leistung aber nur um den Faktor 3,1, nicht 4. Der Glühfaden ist kühler, und sein Widerstand ist kleiner.

Fragen

  1. Worin wird die Arbeit umgewandelt, die der Strom in der Lampe verrichtet?
  2. Warum ist die Leistung der Lampe bei halber Spannung nicht auf ein Viertel gesunken, wie es bei einem Widerstand der Fall wäre?
  3. Wie viele Joule sind 1 W · h?
Antworten
  1. In innere Energie des heißen Glühfadens, die die Lampe als Wärme und Licht abgibt. Von den 2,75 W geht der größte Teil als Wärme und Infrarotstrahlung ab; sichtbares Licht macht nur wenige Prozent aus.
  2. Für einen Widerstand gilt \(P = U^2 / R\) mit konstantem \(R\), daher ergibt die halbe Spannung ein Viertel der Leistung. Der Widerstand eines Glühfadens aus Wolfram wächst mit seiner Temperatur: Bei 3 V ist der Glühfaden kühler und sein Widerstand kleiner, daher sinkt der Strom um weniger als die Hälfte, und die Leistung sinkt nur um den Faktor 3,1, von 2,75 W auf 0,89 W.
  3. 1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J. Die Lampe in diesem Aufbau verbraucht in einer Stunde 2,75 W · 3600 s ≈ 9900 J.