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Elektrische Stromstärke

Fünf Aufgaben im Stil der schriftlichen Abiturprüfung — Ladung, Zeit und Stromstärke mit Operatoren und vollständigem Erwartungshorizont.

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Anschlussleitung eines Elektroherds

AFB I

In der Anschlussleitung eines Elektroherds fließt beim Betrieb einer Kochplatte eine Stromstärke von I = 12 A. Die Platte wird 25 Minuten lang betrieben. Material M1 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt aus dem Kupferdraht der Leitung — einmal ohne und einmal mit angelegter Spannung.

Gegeben: Elementarladung e = 1,602 · 10−19 C.

M1Ausschnitt aus einem Metalldraht
ohne angelegte Spannung — ungeordnete Wärmebewegung+++++++++++++++++++++++++++ −−−−−−−−mit angelegter Spannung — zusätzliche gerichtete Drift+++++++++++++++++++++++++++ −−−−−−−− + Pol − Pol technische Stromrichtung Driftbewegung der Elektronen

Die positiven Metallionen sitzen fest im Gitter. Beweglich sind nur die freien Elektronen — ohne Spannung ungeordnet, mit Spannung zusätzlich gerichtet.

  1. Beschreiben Sie mithilfe von M1, welche Ladungsträger in einem Metalldraht den Strom bilden und wie sich ihre Bewegung ohne und mit angelegter Spannung unterscheidet.
  2. Berechnen Sie die Ladung, die während der 25 Minuten durch einen Querschnitt der Leitung transportiert wird.
  3. Berechnen Sie die Anzahl der Elektronen, die dabei den Querschnitt passieren.
Hinweis zu Aufgabe a)
Im Draht gibt es zwei Sorten von Ladungsträgern: die ortsfesten Gitterionen und die frei beweglichen Elektronen. Nur eine der beiden Sorten kann den Ladungstransport übernehmen.Der Operator „Beschreiben“ verlangt eine geordnete, vollständige Darstellung — beide Fälle (ohne und mit Spannung) müssen vorkommen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Die Gleichung I = Q / t setzt Sekunden voraus. Rechne die Zeit zuerst um und stelle die Gleichung dann nach Q um.Eine Einheitenprobe zeigt sofort, ob die Umformung stimmt: A · s = C.
Hinweis zu Aufgabe c)
Jedes Elektron trägt genau die Elementarladung e. Überlege, wie sich die in b) berechnete Gesamtladung auf die einzelnen Ladungsträger verteilt, und stelle Q = n · e nach der gesuchten Anzahl um.