MINT lernen

Stromstärke

Zwei Aufgaben dazu, was genau man zählt, wenn man Ampere misst, und wie sich die Stromstärke im Alltag bemerkbar macht.

1

Ladung, Zeit und Ampere

AFB I–II

Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel Ladung in einer bestimmten Zeit durch den Querschnitt eines Leiters fließt: \(I = \dfrac{Q}{t}\). Dabei wird die Ladung in Coulomb (C) und die Zeit in Sekunden (s) gemessen; es gilt \(1\,\mathrm{A} = 1\,\dfrac{\mathrm{C}}{\mathrm{s}}\).

In einem Stromkreis fließt in \(2{,}0\,\mathrm{min}\) insgesamt die Ladung \(Q = 60\,\mathrm{C}\).

  1. Geben Sie Formelzeichen, Einheit und Messgerät der Stromstärke an sowie die Art, wie dieses Messgerät in den Stromkreis eingebaut wird.
  2. Berechnen Sie die Stromstärke in diesem Stromkreis.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Vier kurze Angaben genügen – ohne Erläuterung.
Hinweis zu Aufgabe b)
Rechnen Sie die Zeit zuerst in Sekunden um; die Einheit Ampere ist als Coulomb pro Sekunde definiert. Zur vollständigen Lösung gehören Ansatz, Rechnung und Ergebnis mit Einheit.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Formelzeichen: \(I\). Einheit: Ampere (A). Messgerät: Amperemeter (Strommesser). Einbau: in Reihe in den Stromweg, den es messen soll – der Strom muss durch das Gerät hindurchfließen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Zeit umrechnen: \(t = 2{,}0\,\mathrm{min} = 120\,\mathrm{s}\)

Ansatz: \(I = \dfrac{Q}{t} = \dfrac{60\,\mathrm{C}}{120\,\mathrm{s}} = 0{,}5\,\mathrm{A}\)

Antwort: Die Stromstärke beträgt 0,5 A. In jeder Sekunde fließt also eine Ladung von 0,5 C durch den Leiterquerschnitt.

2

„Nach der Lampe kommt weniger an“

AFB II–III

Ein Handy wird mit einer Stromstärke von \(I = 2{,}0\,\mathrm{A}\) geladen; der Ladevorgang dauert \(30\,\mathrm{min}\).

In der Stunde davor hatte die Klasse eine Reihenschaltung mit einer Lampe untersucht. Nina fasst zusammen: „Der Strom wird in der Lampe ja verbraucht – deshalb fließt hinter der Lampe weniger Strom als davor.“ Die Messung mit zwei Amperemetern vor und hinter der Lampe hatte jedoch beide Male \(0{,}25\,\mathrm{A}\) ergeben.

  1. Bestimmen Sie die Ladungsmenge, die während des Ladevorgangs insgesamt durch das Ladekabel fließt.
  2. Interpretieren Sie die beiden Messwerte von je \(0{,}25\,\mathrm{A}\) im Hinblick auf die Frage, was in der Lampe eigentlich umgewandelt wird.
  3. Beurteilen Sie Ninas Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Stellen Sie \(I = \dfrac{Q}{t}\) nach \(Q\) um und achten Sie wieder auf die Einheit der Zeit.
Hinweis zu Aufgabe b)
Wenn die Stromstärke gleich bleibt, kann die Lampe die Ladung nicht verbrauchen. Was gibt sie dann als Licht und Wärme ab?
Hinweis zu Aufgabe c)
Beurteilen heißt: ein eigenes, begründetes Urteil formulieren. Stützen Sie es auf die Messwerte und geben Sie an, wie Nina den Satz richtig formulieren müsste.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Zeit umrechnen: \(t = 30\,\mathrm{min} = 1800\,\mathrm{s}\)

Ansatz: \(I = \dfrac{Q}{t} \;\Rightarrow\; Q = I \cdot t\)

\(Q = 2{,}0\,\mathrm{A} \cdot 1800\,\mathrm{s} = 3600\,\mathrm{C}\)

Antwort: Es fließt eine Ladung von 3600 C durch das Ladekabel.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Beide Amperemeter zeigen denselben Wert. Es fließt also vor und hinter der Lampe in jeder Sekunde gleich viel Ladung – es geht unterwegs keine Ladung verloren.

Deutung: Die Ladungsträger sind schon vorher im Leiter vorhanden und werden von der Quelle nur in Bewegung gesetzt; sie laufen im Kreis. Umgewandelt wird in der Lampe nicht die Ladung, sondern Energie: Die Ladungsträger geben dort Energie ab, die als Licht und Wärme frei wird, und laufen „energieärmer“ weiter.

Man erkennt das daran, dass die Spannung vor und hinter der Lampe verschieden ist, die Stromstärke aber nicht.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Ninas Aussage ist nicht haltbar. Sie wird durch die eigene Messung der Klasse widerlegt: Beide Amperemeter zeigen 0,25 A. Wäre Nina im Recht, müsste der zweite Wert kleiner sein.

Der Fehler steckt im Wort „verbraucht“. Verbraucht wird nicht der Strom und nicht die Ladung, sondern Energie. Hinzu kommt ein zweites Argument: In einer Reihenschaltung gibt es nur einen Stromweg – wenn dort unterwegs Ladung verschwände, müsste sie sich irgendwo ansammeln, und der Stromkreis käme zum Erliegen.

Richtig formuliert: „In der Lampe wird elektrische Energie in Licht und Wärme umgewandelt. Die Stromstärke bleibt in der Reihenschaltung überall gleich.“