Elektrische Energieversorgung: Probe-Klassenarbeit – Physik Klasse 9

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AFB I

Wissen und Reproduzieren

6 Punkte

Die Netzspannung in Zahlen

AFB I 3 Punkte

Das deutsche Stromnetz liefert eine sinusförmige Wechselspannung mit dem Effektivwert U_eff = 230 V und der Frequenz f = 50 Hz.

a) Geben Sie die Periodendauer T in Millisekunden an. 1 P

T = ms

b) Berechnen Sie den Scheitelwert Û = U_eff·√2, auf ganze Volt gerundet. 1 P

Û = V

c) Ein Wasserkocher mit P = 2300 W hängt an 230 V. Wie groß ist die Stromstärke I? 1 P

I = A

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

a) T = 1/f = 1/50 Hz = 0,02 s = 20 ms (1 P). b) Û = 230 V · √2 ≈ 325 V (1 P). c) I = P/U = 2300 W / 230 V = 10 A (1 P).

Bewegung und Strom

AFB I 3 Punkte

Generator und Elektromotor sind aus denselben Bauteilen aufgebaut: einer drehbaren Spule im Magnetfeld.

Nennen Sie die zutreffenden Aussagen, indem Sie sie ankreuzen. (mehrere Antworten richtig) 3 P

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

Richtig sind die ersten beiden Aussagen (je 1,5 P): Generator und Motor sind Umkehrungen voneinander. Falsch ist, dass Ladung erzeugt wird — sie wird nur bewegt; und falsch ist die Beschränkung auf Gleichstrom, denn der Wechselstrommotor läuft direkt am Netz.

AFB II

Zusammenhänge herstellen

6 Punkte

Trafo für eine 12-V-Lampe

AFB II 3 Punkte

Ein als ideal angenommener Transformator liegt mit der Primärspule an U₁ = 230 V. Er hat n₁ = 1150 Windungen und n₂ = 60 Windungen. An der Sekundärseite arbeitet eine Lampe mit P = 60 W.

a) Berechnen Sie die Sekundärspannung U₂. 1 P

U₂ = V

b) Wie groß ist die Stromstärke I₂ durch die Lampe? 1 P

I₂ = A

c) Wie viele Windungen müsste die Sekundärspule haben, damit U₂ = 5 V beträgt? 1 P

n₂ = Windungen

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

a) U₂ = U₁·n₂/n₁ = 230 V · 60/1150 = 12 V (1 P). b) I₂ = P/U₂ = 60 W / 12 V = 5 A (1 P). c) n₂ = n₁·U₂/U₁ = 1150 · 5 V/230 V = 25 Windungen (1 P).

Was im Netzteil passiert

AFB II 3 Punkte

Ein Steckernetzteil macht aus 230 V Wechselspannung eine nahezu konstante Gleichspannung von 5 V. Dazu enthält es einen Transformator, vier Dioden als Brückengleichrichter und einen Kondensator.

Ordnen Sie den Bauteilen die richtige Wirkung zu und kreuzen Sie die zutreffenden Aussagen an. (mehrere Antworten richtig) 3 P

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

Richtig sind die ersten beiden Aussagen (je 1,5 P). Hinter dem Gleichrichter liegt eine pulsierende Gleichspannung — erst der Kondensator glättet sie. Die Schwellenspannung einer Silizium-Diode beträgt rund 0,7 V, nicht 7 V.

AFB III

Verallgemeinern und beurteilen

6 Punkte

Warum die Leitung Hochspannung braucht

AFB III 3 Punkte

Ein Kraftwerk speist die Leistung P = 22 MW in eine Leitung mit dem Gesamtwiderstand R = 4,0 Ω ein. Verglichen werden zwei Übertragungsspannungen: 22 kV und 110 kV.

a) Zeigen Sie durch Rechnung, wie stark die Spannung die Verluste bestimmt — beginnen Sie mit der Stromstärke bei U = 22 kV. 1 P

I = A

b) Wie groß ist die Verlustleistung P_V = R·I² bei 22 kV? Geben Sie sie in Megawatt an. 1 P

P_V = MW

c) Wie groß ist die Verlustleistung bei U = 110 kV? Geben Sie sie in Kilowatt an. 1 P

P_V = kW

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

a) I = P/U = 22 MW / 22 kV = 1000 A (1 P). b) P_V = R·I² = 4,0 Ω · (1000 A)² = 4 000 000 W = 4,0 MW, also rund 18 % der eingespeisten Leistung (1 P). c) Bei 110 kV ist I = 22 MW / 110 kV = 200 A, also P_V = 4,0 Ω · (200 A)² = 160 000 W = 160 kW (1 P). Fünffache Spannung heißt fünftel Stromstärke und damit nur noch ein Fünfundzwanzigstel der Verluste.

Welcher Speicher für welchen Zweck?

AFB III 3 Punkte

Ein Stadtwerk will Überschussstrom aus Windkraft speichern und prüft Pumpspeicher, Batteriespeicher und Power-to-Gas.

Bewerten Sie die Aussagen und kreuzen Sie die an, die fachlich haltbar sind. (mehrere Antworten richtig) 3 P

Lösung anzeigen (nach Auswerten freigeschaltet)

Haltbar sind die ersten beiden Aussagen (je 1,5 P): Sie benennen jeweils Wirkungsgrad und Speicherdauer als Bewertungskriterien. Jeder Speicher verliert Energie, statt sie zu vermehren; und Batterien sind Kurzzeitspeicher für Stunden, nicht für Jahreszeiten.

Ergebnis

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Note

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Aufgabe	Thema	Punkte

Notenschema

Punkte	Note	Beurteilung
17 – 18 P	1	sehr gut
15 – 16 P	2	gut
11 – 14 P	3	befriedigend
8 – 10 P	4	ausreichend
5 – 7 P	5	mangelhaft
0 – 4 P	6	ungenügend