Leitprogramm · Elektrizität

Widerstand, Leistung, Energie

Was ein Widerstand ist, woran man einen ohmschen Leiter erkennt, wie man richtig misst, warum ein dünnes Kabel warm wird und was die Stromrechnung zählt. In sieben Schritten vom ohmschen Gesetz bis zur Hochspannungsleitung — jeder mit Erklärclip oder Simulation und sofortiger Selbstkontrolle.

Lerngebiet 6.2 Elektrizität Bearbeitungszeit rund 3 Lektionen Du brauchst Taschenrechner, Notizpapier, Kopfhörer

So arbeitest du mit diesem Leitprogramm

Du bestimmst das Tempo selbst, die Reihenfolge nicht. Die Schritte bauen aufeinander auf: Ohne das ohmsche Gesetz keine Kennlinie, ohne Widerstand keine Leistung, ohne Leistung keine Energie — und die Hochspannungsleitung am Schluss braucht alles davor.

  1. Einstiegsfrage zuerst beantworten. Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest. Eine notierte falsche Vermutung lernt sich besser als eine gelesene richtige.
  2. Clip anschauen. Die meisten Schritte beginnen mit einem vertonten Erklärclip von rund einer Minute.
  3. Simulation selbst bewegen. Wo ein Regler steht, gehört er gezogen — an beide Enden. Achte darauf, welche Anzeige mitgeht und welche stehen bleibt.
  4. Aufgaben selbst lösen, erst dann die Lösung aufklappen.
  5. Kern zuerst, Vertiefung danach. Jede Aufgabe trägt ein Etikett: KERN bearbeiten alle, VERTIEFUNG ist für schnelle Lernende oder als Hausaufgabe gedacht.
  6. Selbstkontrolle abhaken, wenn der Schritt sitzt. Der Fortschritt bleibt auf diesem Gerät gespeichert.
  7. Gesamttest am Schluss unter Prüfungsbedingungen: 20 Minuten, Taschenrechner.

Was du am Ende können musst

Mit \(U = R\cdot I\) rechnen, an einer Kennlinie erkennen, ob ein Bauteil ohmsch ist, und Ampere- und Voltmeter richtig anschliessen.

Den Widerstand eines Leiters aus Material, Länge und Querschnitt berechnen, die Leistung eines Geräts auf drei Arten bestimmen, Energie und Kosten ausrechnen und begründen, warum Strom mit Hochspannung übertragen wird.

Drei Regeln, die in jedem Schritt gelten

Erstens: Erst der Ansatz, dann die Zahlen. Schreib die Formel symbolisch hin, stelle sie um, und setze erst danach ein — mit Einheiten.

Zweitens: Umrechnen vor dem Rechnen. \(250\;\text{mA} = 0.250\;\text{A}\), \(2.2\;\text{k}\Omega = 2200\;\Omega\), \(1\;\text{kWh} = 3.6\;\text{MJ}\). Die meisten Fehler in diesem Kapitel sind Vorsilbenfehler.

Drittens: \(U\), \(I\) und \(R\) gehören immer zum selben Bauteil — die Spannung über genau diesem Bauteil, der Strom durch genau dieses Bauteil.

SCHRITT 0

Vortest: Was solltest du schon können?

Fünf kurze Aufgaben zu Ladung, Spannung, Stromstärke und den Vorsilben. Sie zeigen, ob die Grundlagen sitzen.

Was liegt an einem Gerät an, und was fliesst hindurch? Schreib für Spannung und Stromstärke je ein Verb auf.

Rechne alle fünf, bevor du eine einzige Lösung aufklappst. Der Clip ist zum Auffrischen da — wer sicher ist, lässt ihn aus.

V.1 Durch eine Lampe fliessen in \(10\;\text{s}\) insgesamt \(3.0\;\text{C}\). Wie gross ist die Stromstärke?

Lösung anzeigen

\(I = \dfrac{Q}{t} = \dfrac{3.0\;\text{C}}{10\;\text{s}} = 0.30\;\text{A}\) — pro Sekunde passieren \(0.30\;\text{C}\) einen Leiterquerschnitt.

V.2 Was bedeutet «An der Lampe liegen \(12\;\text{V}\) an»?

Lösung anzeigen

Jedes Coulomb Ladung, das durch die Lampe fliesst, gibt dort \(12\;\text{J}\) Energie ab: \(U = W/Q\). Die Spannung liegt an — sie ist ein Unterschied zwischen zwei Punkten; fliessen tut die Ladung.

V.3 Rechne um: \(350\;\text{mA}\) in A; \(4.7\;\text{k}\Omega\) in \(\Omega\); \(0.02\;\text{A}\) in mA.

Lösung anzeigen

\(0.350\;\text{A}\); \(4700\;\Omega\); \(20\;\text{mA}\).

V.4 Welche Einheit hat die Ladung, welche die Stromstärke, welche die Spannung? Wie hängen Coulomb und Ampere zusammen?

Lösung anzeigen

Coulomb (C), Ampere (A), Volt (V). \(1\;\text{A} = 1\;\text{C/s}\): Ein Ampere heisst ein Coulomb pro Sekunde.

V.5 Eine Batterie hat die Nennkapazität \(2000\;\text{mAh}\). Welcher Ladungsmenge in Coulomb entspricht das?

Lösung anzeigen

\(Q = I\cdot t = 2.0\;\text{A}\cdot 3600\;\text{s} = 7200\;\text{C}\). Das ist die Ladung, die die Batterie laut Nennkapazität durch den äusseren Stromkreis transportieren kann.

Auswertung

Aufgabeworum es gehtausführlich nachlesen
V.1, V.4, V.5Ladung und Stromstärke6.2 Grundbegriffe
V.2Spannung als Energie je Ladung6.2 Grundbegriffe
V.3Vorsilben0.2 Vorsilben

Vier oder mehr richtig? Dann weiter mit Schritt 1. Sonst zuerst die verlinkten Abschnitte durcharbeiten — ohne sichere Vorsilben wird jede Rechnung in diesem Kapitel zur Glückssache.

SCHRITT 1

Das ohmsche Gesetz

Spannung, Stromstärke und Widerstand hängen über eine einzige Gleichung zusammen — solange die Temperatur gleich bleibt.

Du verdoppelst die Spannung an einem Heizdraht. Was passiert mit der Stromstärke? Schreib deine Vermutung auf, bevor du weiterliest.

Legt man an ein Bauteil eine Spannung \(U\), fliesst ein Strom \(I\). Das Verhältnis der beiden heisst Widerstand:

\[ R = \frac{U}{I} \qquad \text{Einheit: } 1\;\Omega = 1\;\frac{\text{V}}{\text{A}} \]

Ein Widerstand von \(100\;\Omega\) heisst: Für jedes Ampere, das hindurchfliessen soll, braucht es \(100\;\text{V}\). Bei vielen metallischen Leitern bleibt dieses Verhältnis gleich, solange die Temperatur gleich bleibt. Dann ist die Spannung proportional zur Stromstärke — mit dem Widerstand als Proportionalitätsfaktor:

\[ U = R \cdot I \]

0 50 150 250 I in mA 3 6 9 12 U in V 6.0 V; 60 mA
Spannung 6.0 V
Stromstärke 60.0 mA; Verhältnis U / I 100 Ω
Doppelte Spannung, doppelter Strom — das Verhältnis bleibt 100 Ω
Abb. 1 — Zieh die Spannung: Der Punkt wandert auf einer Geraden durch den Ursprung, und U / I bleibt gleich. Wechsle den Widerstand: Je grösser R, desto flacher die Gerade, desto weniger Strom bei gleicher Spannung.

Merksatz

Bei einem ohmschen Leiter ist bei konstanter Temperatur die Stromstärke proportional zur Spannung. Der Widerstand ist dann konstant: \(U = R\cdot I\), umgestellt \(I = U/R\) und \(R = U/I\).

Beispiel — vollständig gerechnet

An einem Heizdraht liegen \(12\;\text{V}\), es fliessen \(0.40\;\text{A}\). Wie gross ist sein Widerstand, und welcher Strom fliesst bei \(6.0\;\text{V}\)?

\[ R = \frac{U}{I} = \frac{12\;\text{V}}{0.40\;\text{A}} = 30\;\Omega \]

\[ I = \frac{U}{R} = \frac{6.0\;\text{V}}{30\;\Omega} = 0.20\;\text{A} \]

Kontrolle. Halbe Spannung, halber Strom — genau das verlangt die Proportionalität. Vorausgesetzt ist, dass sich der Draht dabei nicht merklich abkühlt; das prüft Schritt 2.

A1.1 KERN An einem Widerstand liegen \(4.5\;\text{V}\), es fliessen \(30\;\text{mA}\). Wie gross ist \(R\)? Welcher Strom fliesst bei \(9.0\;\text{V}\)?

Lösung anzeigen

\[ R = \frac{U}{I} = \frac{4.5\;\text{V}}{0.030\;\text{A}} = 150\;\Omega \]

Bei doppelter Spannung fliesst der doppelte Strom: \(I = 9.0\;\text{V} / 150\;\Omega = 60\;\text{mA}\).

A1.2 KERN Eine Lampe zieht an \(12\;\text{V}\) einen Strom von \(250\;\text{mA}\). Berechne ihren Widerstand im Betrieb.

Lösung anzeigen

\(R = \dfrac{U}{I} = \dfrac{12\;\text{V}}{0.250\;\text{A}} = 48\;\Omega\). Achte auf die Umrechnung \(250\;\text{mA} = 0.250\;\text{A}\) — hier entsteht der häufigste Fehler.

A1.3 VERTIEFUNG Jemand sagt: «Der Widerstand ist gross, weil die Spannung gross ist.» Was ist daran richtig, was falsch?

Lösung anzeigen

Falsch ist die Ursache. Der Widerstand ist eine Eigenschaft des Bauteils — Material, Länge, Querschnitt, Temperatur. Bei einem ohmschen Leiter ändert eine grössere Spannung am Widerstand nichts: Der Strom wächst im selben Verhältnis, \(U/I\) bleibt gleich. Richtig ist nur, dass man \(R\) aus \(U\) und \(I\) berechnen kann.

SCHRITT 2

Kennlinien: ohmsch oder nicht?

An der Kennlinie I(U) siehst du auf einen Blick, ob der Widerstand eines Bauteils konstant ist oder sich mit der Temperatur ändert.

Misst man an einer Glühlampe Strom und Spannung und trägt die Werte auf, liegen die Punkte nicht auf einer Geraden. Warum wohl?

Die Kennlinie eines Bauteils ist die Kurve \(I(U)\): Zu jeder Spannung trägt man den gemessenen Strom ein. An jedem Punkt der Kurve lässt sich der Widerstand \(R = U/I\) ausrechnen — für genau diesen Arbeitspunkt.

0 250 500 I in mA 3 6 9 12 U in V Glühlampe Heissleiter ohmsch 100 Ω R = 18.2 Ω
Spannung 6.0 V
Strom 330 mA; Widerstand im Arbeitspunkt 18.2 Ω
Der Glühdraht wird heisser, sein Widerstand wächst
Abb. 2 — Modellkurven, keine Messwerte. Wähle ein Bauteil und zieh die Spannung von einem Ende zum anderen. Beim ohmschen Widerstand bleibt U / I gleich; bei der Glühlampe wächst es, beim Heissleiter sinkt es.

Drei Fälle, drei Formen:

  • Ohmscher Widerstand: eine Gerade durch den Ursprung. \(R\) ist überall gleich.
  • Glühlampe (ein Kaltleiter, auch PTC genannt): Die Kurve flacht ab. Mit steigendem Strom wird der Draht heisser, sein Widerstand wächst — kalt hat die Lampe nur einen Bruchteil ihres Betriebswiderstands.
  • Heissleiter (NTC): Die Kurve wird steiler. Mit steigender Temperatur leitet das Halbleitermaterial besser, der Widerstand sinkt.

Merksatz

Ist die Kennlinie eine Gerade durch den Ursprung, ist das Bauteil ohmsch: \(R\) bleibt konstant. Ist sie gekrümmt, ändert sich \(R\) — meist, weil sich das Bauteil erwärmt. \(R = U/I\) gilt dann nur für den jeweiligen Arbeitspunkt.

A2.1 KERN An einem Bauteil werden gemessen: \(2\;\text{V}\) und \(40\;\text{mA}\); \(4\;\text{V}\) und \(80\;\text{mA}\); \(6\;\text{V}\) und \(120\;\text{mA}\). Ist es ohmsch?

Lösung anzeigen

Für alle drei Punkte ist \(U/I = 50\;\Omega\): \(2/0.040 = 4/0.080 = 6/0.120 = 50\). Das Verhältnis bleibt gleich, die Punkte liegen auf einer Geraden durch den Ursprung — das Bauteil ist ohmsch mit \(R = 50\;\Omega\).

A2.2 KERN Eine Glühlampe zieht bei \(2.0\;\text{V}\) einen Strom von \(0.20\;\text{A}\), bei \(12\;\text{V}\) einen von \(0.50\;\text{A}\). Berechne den Widerstand in beiden Arbeitspunkten und erkläre den Unterschied.

Lösung anzeigen

\(R_1 = 2.0\;\text{V} / 0.20\;\text{A} = 10\;\Omega\); \(R_2 = 12\;\text{V} / 0.50\;\text{A} = 24\;\Omega\).

Bei der höheren Spannung fliesst mehr Strom, der Glühdraht wird heisser, und sein Widerstand steigt. Die Lampe ist nicht ohmsch — sechsfache Spannung bringt nur den zweieinhalbfachen Strom.

A2.3 VERTIEFUNG Glühlampen brennen meist im Moment des Einschaltens durch, selten im Betrieb. Eine \(12\text{-V}\)-Lampe hat kalt ungefähr \(2.0\;\Omega\), im Betrieb \(24\;\Omega\). Schätze den Einschaltstrom ab und erkläre.

Lösung anzeigen

Im ersten Augenblick ist der Draht kalt: \(I = 12\;\text{V} / 2.0\;\Omega = 6.0\;\text{A}\) — zwölfmal so viel wie im Betrieb (\(0.50\;\text{A}\)). Für Sekundenbruchteile fliesst ein sehr grosser Strom, der den Draht an seiner dünnsten Stelle schlagartig erhitzt. Dort reisst er.

SCHRITT 3

Messen im Stromkreis

Das Amperemeter kommt in Serie, das Voltmeter parallel — und du weisst, warum es nicht umgekehrt geht.

Du willst den Strom durch eine Lampe messen. Wo muss das Amperemeter hin, damit die Messung stimmt — und was passiert, wenn es am falschen Ort sitzt?

Ein Messgerät soll messen, ohne den Kreis zu verändern. Daraus folgt alles Weitere:

  • Das Amperemeter misst den Strom, der durch es hindurchfliesst. Also wird die Leitung aufgetrennt und das Gerät in Serie eingefügt. Damit es den Strom kaum bremst, hat es einen sehr kleinen Innenwiderstand.
  • Das Voltmeter misst die Spannung zwischen zwei Punkten. Also wird es parallel zum Bauteil angeklemmt. Damit es kaum Strom abzweigt, hat es einen sehr grossen Innenwiderstand.
+ − 12 V Lampe 60 Ω A V richtig: in Serie
Anschluss
Anzeige 198.0 mA; Strom durch die Lampe 198.0 mA; Quelle 198.0 mA
Der ganze Strom fliesst durch das Gerät; 0.1 Ω stören kaum
Abb. 3 — Gerechnet mit einer realen 12-V-Quelle (Innenwiderstand 0.5 Ω), Amperemeter 0.1 Ω, Voltmeter 1 MΩ. Probiere alle vier Anschlüsse. Nur zwei messen richtig — und einer davon ist teuer, wenn man ihn falsch macht.

Was bei falschem Anschluss geschieht

Amperemeter parallel: Sein kleiner Innenwiderstand überbrückt die Lampe. Aus der Quelle fliessen rund \(20\;\text{A}\), ihre Spannung bricht ein, die Lampe wird fast dunkel — und die Sicherung des Messgeräts brennt durch. Danach ist der Messzweig offen, das Gerät zeigt \(0\;\text{A}\).

Voltmeter in Serie: Sein grosser Innenwiderstand lässt kaum Strom durch — die Lampe bleibt dunkel, das Gerät zeigt fast die volle Quellenspannung. Harmlos, aber nutzlos.

Wie man das Gerät selbst bedient — Buchsen, Messbereich, Drehschalter —, zeigen die beiden Animationen der Themenseite: Multimeter richtig anschliessen und Multimeter bedienen.

Merksatz

Amperemeter in Serie und niederohmig, Voltmeter parallel und hochohmig. Beide Innenwiderstände sind so gewählt, dass das Messgerät den Kreis möglichst wenig verändert.

A3.1 KERN In einem Kreis aus Quelle, Schalter und Heizwiderstand sollen Strom durch und Spannung über dem Widerstand gemessen werden. Beschreibe, wo die beiden Geräte hinkommen.

Lösung anzeigen

Das Amperemeter kommt in Serie: Die Leitung wird an einer Stelle aufgetrennt, das Gerät dazwischengeschaltet — egal ob vor oder nach dem Widerstand, der Strom ist überall gleich. Das Voltmeter wird parallel zum Widerstand an dessen zwei Anschlüsse geklemmt, ohne die Leitung aufzutrennen.

A3.2 KERN Eine Lampe mit \(60\;\Omega\) liegt an \(12\;\text{V}\). Ein Amperemeter mit \(0.10\;\Omega\) wird in Serie geschaltet. Um wie viel Prozent sinkt der Strom (ideale Quelle)?

Lösung anzeigen

\[ I_0 = \frac{U}{R} = \frac{12\;\text{V}}{60\;\Omega} = 200.0\;\text{mA} \]

\[ I = \frac{U}{R + R_\text{A}} = \frac{12\;\text{V}}{60.1\;\Omega} = 199.7\;\text{mA} \]

Der Strom sinkt um rund \(0.17\;\%\) — vernachlässigbar. Genau dafür ist der kleine Innenwiderstand da.

A3.3 VERTIEFUNG Zwei Widerstände von je \(10\;\text{k}\Omega\) liegen in Reihe an \(12\;\text{V}\). Über dem unteren sollten \(6.0\;\text{V}\) liegen. Ein einfaches Voltmeter mit nur \(10\;\text{k}\Omega\) Innenwiderstand zeigt dort aber \(4.0\;\text{V}\). Erkläre und rechne nach.

Lösung anzeigen

Das Voltmeter liegt parallel zum unteren Widerstand. Zusammen haben die beiden nur noch

\[ R_\text{p} = \frac{10\;\text{k}\Omega \cdot 10\;\text{k}\Omega}{10\;\text{k}\Omega + 10\;\text{k}\Omega} = 5.0\;\text{k}\Omega \]

\[ U_\text{p} = U \cdot \frac{R_\text{p}}{R_1 + R_\text{p}} = 12\;\text{V} \cdot \frac{5.0\;\text{k}\Omega}{15\;\text{k}\Omega} = 4.0\;\text{V} \]

Das Messgerät verändert den Kreis, den es messen soll. Ein Voltmeter braucht einen Innenwiderstand, der viel grösser ist als die Widerstände im Kreis — mit \(10\;\text{M}\Omega\) wären es \(5.997\;\text{V}\).

SCHRITT 4

Der Widerstand eines Leiters

Material, Länge und Querschnitt bestimmen den Widerstand eines Drahts — und damit, wie warm ein Kabel wird.

Warum wird ein langes, dünnes Verlängerungskabel warm, wenn ein Heizlüfter daran hängt — ein dickes aber nicht?

Ein doppelt so langer Draht ist wie zwei Drähte hintereinander: doppelter Widerstand. Ein doppelt so dicker Draht ist wie zwei Drähte nebeneinander: halber Widerstand. Dazu kommt das Material, beschrieben durch den spezifischen Widerstand \(\rho\):

\[ R = \rho \cdot \frac{l}{A} \]

Mit \(l\) in m, \(A\) in mm² und \(\rho\) in \(\Omega\,\text{mm}^2/\text{m}\) kommt \(R\) direkt in Ohm heraus. \(\rho\) ist eine Materialeigenschaft; die Tabellenwerte gelten bei \(20\,^\circ\text{C}\), bei Metallen steigt er mit der Temperatur. Wichtig: \(l\) ist die ganze Leiterlänge. Bei einem zweiadrigen Kabel fliesst der Strom hin und zurück — die Leiterlänge ist doppelt so gross wie die Kabellänge.

zweiadriges Kabel: Hin- und Rückleiter hin zurück 0 m 100 m Kabel 25 m, Leiterlänge 50 m
Kabellänge 25 m
Widerstand beider Leiter 0.567 Ω; bei 10 A Spannungsabfall 5.7 V; Verlustleistung 57 W
R = 0.017 Ω·mm²/m · 50 m / 1.5 mm² = 0.567 Ω
Abb. 4 — Zieh die Kabellänge und wechsle Querschnitt und Material. Doppelte Länge verdoppelt Widerstand und Verlust; der halbe Querschnitt auch. Die Verlustleistung wird im Kabel zu Wärme.

Merksatz

Länger heisst mehr Widerstand, dicker heisst weniger: \(R = \rho\cdot l/A\). \(l\) ist die gesamte Leiterlänge — bei einem zweiadrigen Kabel doppelt so gross wie die Kabellänge.

Material\(\rho\) in \(\Omega\,\text{mm}^2/\text{m}\) bei \(20\,^\circ\text{C}\)
Silber0.016
Kupfer0.017
Aluminium0.028
Eisen0.10
Konstantan0.49

Beispiel — vollständig gerechnet

Eine Kabelrolle hat \(25\;\text{m}\) Kupferkabel mit \(1.5\;\text{mm}^2\) Querschnitt je Ader. Ein Heizlüfter zieht \(10\;\text{A}\). Wie gross sind Widerstand und Verlustleistung im Kabel?

Ansatz. Leiterlänge \(l = 2 \cdot 25\;\text{m} = 50\;\text{m}\) (hin und zurück), dann:

\[ R = \rho\cdot\frac{l}{A} = 0.017\;\frac{\Omega\,\text{mm}^2}{\text{m}}\cdot\frac{50\;\text{m}}{1.5\;\text{mm}^2} = 0.567\;\Omega \]

\[ P_\text{V} = R\cdot I^2 = 0.567\;\Omega\cdot(10\;\text{A})^2 = 57\;\text{W} \]

Knapp \(60\;\text{W}\) Wärme, verteilt über das Kabel — ausgerollt harmlos. Aufgerollt kann die Wärme nicht weg, die Rolle wird heiss. Darum steht auf jeder Kabelrolle eine kleinere Höchstleistung für den aufgerollten Zustand.

A4.1 KERN Ein zweiadriges Kupferkabel ist \(40\;\text{m}\) lang, jede Ader hat \(2.5\;\text{mm}^2\). Berechne den Widerstand beider Leiter zusammen.

Lösung anzeigen

Leiterlänge \(l = 80\;\text{m}\). \[ R = \rho\cdot\frac{l}{A} = 0.017\;\frac{\Omega\,\text{mm}^2}{\text{m}}\cdot\frac{80\;\text{m}}{2.5\;\text{mm}^2} = 0.544\;\Omega \]

A4.2 KERN Ohne Rechnung: Wie ändert sich der Widerstand eines Drahts, wenn man (a) die Länge verdoppelt, (b) den Querschnitt halbiert, (c) beides zugleich tut?

Lösung anzeigen

(a) doppelt so gross; (b) doppelt so gross; (c) viermal so gross. \(R\) ist proportional zu \(l\) und umgekehrt proportional zu \(A\).

A4.3 KERN Dieselbe Kabelrolle wie im Beispiel, aber mit \(0.75\;\text{mm}^2\) je Ader. Wie gross ist jetzt die Verlustleistung bei \(10\;\text{A}\)?

Lösung anzeigen

\[ R = 0.017\;\frac{\Omega\,\text{mm}^2}{\text{m}}\cdot\frac{50\;\text{m}}{0.75\;\text{mm}^2} = 1.13\;\Omega \]

\(P_\text{V} = 1.13\;\Omega\cdot(10\;\text{A})^2 = 113\;\text{W}\) — doppelt so viel wie mit \(1.5\;\text{mm}^2\). Das dünne Kabel wird deutlich wärmer.

A4.4 VERTIEFUNG Ein Heizdraht aus Konstantan (\(\rho = 0.49\;\Omega\,\text{mm}^2/\text{m}\)) mit \(0.10\;\text{mm}^2\) Querschnitt soll \(50\;\Omega\) haben. Wie lang muss er sein? Warum nimmt man für Heizdrähte kein Kupfer?

Lösung anzeigen

\[ l = \frac{R\cdot A}{\rho} = \frac{50\;\Omega\cdot 0.10\;\text{mm}^2}{0.49\;\Omega\,\text{mm}^2/\text{m}} = 10.2\;\text{m} \]

Mit Kupfer bräuchte es fast dreissigmal so viel Draht (\(0.49/0.017 \approx 29\)). Ausserdem bleibt der Widerstand von Konstantan über einen weiten Temperaturbereich nahezu konstant — daher der Name.

SCHRITT 5

Elektrische Leistung

Was «2200 W» auf dem Typenschild bedeutet und wie man die Leistung auf drei Arten berechnet.

Auf einem Wasserkocher steht «230 V, 2200 W». Was sagen die beiden Zahlen — und wie gross ist der Strom?

Die Spannung sagt, wie viel Energie jedes Coulomb abgibt, die Stromstärke, wie viele Coulomb pro Sekunde fliessen. Das Produkt ist die Energie pro Sekunde — die Leistung:

\[ P = U \cdot I \qquad \text{Einheit: } 1\;\text{W} = 1\;\text{V}\cdot\text{A} = 1\;\text{J/s} \]

Für einen Widerstand lässt sich mit \(U = R\cdot I\) entweder \(U\) oder \(I\) ersetzen:

\[ P = R \cdot I^2 \qquad \text{und} \qquad P = \frac{U^2}{R} \]

Welche Form man nimmt, hängt davon ab, was man kennt. Beim Wasserkocher kennt man \(U\) und \(P\) — also \(I = P/U\) und \(R = U^2/P\). Am Haushaltsnetz gilt das mit den Effektivwerten für Geräte, die wie ein Widerstand wirken: Heizung, Wasserkocher, Glühlampe. Bei Motoren und Netzteilen kommt ein Leistungsfaktor dazu; der wird hier nicht vertieft.

Heizwiderstand an der eingestellten Spannung Strom 9.58 A Leistung 2204 W 0 bei 230 V Balkenlänge: Anteil am Wert bei 230 V
Spannung 230 V
Strom 9.58 A; Leistung 2204 W
P = U² / R = (230 V)² / 24 Ω = 2204 W
Abb. 5 — Stell die Spannung auf 115 V: Der Strom halbiert sich, die Leistung fällt auf einen Viertel. Wechsle den Widerstand: Doppelter Widerstand, halbe Leistung — der kleinere Widerstand heizt stärker.

Merksatz

Leistung ist Spannung mal Stromstärke: \(P = U\cdot I\). Für einen Widerstand folgt mit dem ohmschen Gesetz auch \(P = R\cdot I^2 = U^2/R\).

Beispiel — vollständig gerechnet

Wasserkocher «230 V, 2200 W». Wie gross sind Strom und Widerstand im Betrieb?

\[ I = \frac{P}{U} = \frac{2200\;\text{W}}{230\;\text{V}} = 9.57\;\text{A} \]

\[ R = \frac{U^2}{P} = \frac{(230\;\text{V})^2}{2200\;\text{W}} = 24.0\;\Omega \]

Kontrolle. \(U/I = 230\;\text{V} / 9.57\;\text{A} = 24.0\;\Omega\) ✓

A5.1 KERN Eine LED-Lampe für \(12\;\text{V}\) hat \(5.0\;\text{W}\). Welcher Strom fliesst?

Lösung anzeigen

\(I = \dfrac{P}{U} = \dfrac{5.0\;\text{W}}{12\;\text{V}} = 0.42\;\text{A}\).

A5.2 KERN Der Wasserkocher aus dem Beispiel (\(24.0\;\Omega\)) wird an \(115\;\text{V}\) betrieben. Welche Leistung setzt er um? Vermute zuerst, dann rechne.

Lösung anzeigen

\[ P = \frac{U^2}{R} = \frac{(115\;\text{V})^2}{24.0\;\Omega} = 551\;\text{W} \]

Nicht die Hälfte, sondern ein Viertel von \(2200\;\text{W}\): Bei halber Spannung fliesst auch nur der halbe Strom, und \(P = U\cdot I\) halbiert sich zweimal.

A5.3 VERTIEFUNG Zwei Heizplatten für \(230\;\text{V}\) haben \(1000\;\text{W}\) und \(2000\;\text{W}\). Welche hat den grösseren Widerstand? Begründe ohne Rechnung, dann prüfe.

Lösung anzeigen

Die \(1000\text{-W}\)-Platte. Bei gleicher Spannung gilt \(P = U^2/R\): Kleinere Leistung heisst grösserer Widerstand. Rechnung: \(R = (230\;\text{V})^2 / 1000\;\text{W} = 52.9\;\Omega\) gegen \(26.5\;\Omega\).

SCHRITT 6

Energie, Kosten und Wirkungsgrad

Energie ist Leistung mal Zeit — und die Stromrechnung zählt Kilowattstunden.

Was kostet es, einen Wasserkocher mit 2200 W eine ganze Stunde laufen zu lassen? Schätze zuerst: eher 5 Rappen, 50 Rappen oder 5 Franken?

Die Ladung fliesst durch das Gerät hindurch und zur Quelle zurück — «verbraucht» wird nicht der Strom, sondern die Energie, die die Ladung abgibt. Bei konstanter Leistung gilt:

\[ E = P \cdot t \]

Ändert sich die Leistung, ist die Energie die Fläche unter der Kurve \(P(t)\). In Joule ist \(E\) für Haushaltsgeräte unhandlich gross, darum rechnet das Elektrizitätswerk in Kilowattstunden:

\[ 1\;\text{kWh} = 1000\;\text{W} \cdot 3600\;\text{s} = 3.6\;\text{MJ} \]

Kein Gerät gibt die ganze Energie als Nutzen ab. Der Wirkungsgrad \(\eta = E_\text{nutz}/E_\text{zu}\) ist immer kleiner als 1; beim Wasserkocher geht ein Teil der Wärme an Gehäuse und Luft.

Wasser von 20 °C auf 100 °C; Wirkungsgrad 0.90 zugeführt 372 kJ im Wasser 335 kJ 0 700 kJ Verlust 37 kJ an Gehäuse und Luft
Wassermenge 1.0 l
Zeit 2.8 min; Energie 0.103 kWh; Kosten 2.6 Rp.
t = E / P = 372 kJ / 2200 W = 169 s
Abb. 6 — Gerechnet mit 0.25 CHF pro kWh. Mehr Wasser braucht mehr Energie und mehr Zeit. Eine stärkere Leistung macht es schneller — aber nicht billiger: Die Energie bleibt gleich.

Merksatz

Bei konstanter Leistung ist Energie Leistung mal Zeit: \(E = P\cdot t\). \(1\;\text{kWh} = 3.6\;\text{MJ}\). Der Wirkungsgrad sagt, welcher Anteil davon genutzt wird.

Auflösung der Einstiegsfrage

\[ E = P\cdot t = 2.2\;\text{kW}\cdot 1\;\text{h} = 2.2\;\text{kWh} \]

Bei \(0.25\;\text{CHF/kWh}\) kostet das \(2.2\;\text{kWh}\cdot 0.25\;\text{CHF/kWh} = 0.55\;\text{CHF}\) — rund 50 Rappen. Ein einzelnes Mal Wasserkochen dauert aber nur wenige Minuten und kostet ein paar Rappen.

A6.1 KERN Eine LED-Lampe mit \(9\;\text{W}\) brennt an \(365\) Tagen je \(5\;\text{h}\). Wie viel Energie ist das im Jahr, und was kostet sie bei \(0.25\;\text{CHF/kWh}\)?

Lösung anzeigen

\[ E = P\cdot t = 0.009\;\text{kW}\cdot 1825\;\text{h} = 16.4\;\text{kWh} \]

Kosten \(16.4\;\text{kWh}\cdot 0.25\;\text{CHF/kWh} = 4.10\;\text{CHF}\) pro Jahr.

A6.2 KERN Rechne \(0.50\;\text{kWh}\) in Megajoule und \(90\;\text{MJ}\) in Kilowattstunden um.

Lösung anzeigen

\(0.50\;\text{kWh} = 0.50\cdot 3.6\;\text{MJ} = 1.8\;\text{MJ}\); \(90\;\text{MJ} = 90/3.6\;\text{kWh} = 25\;\text{kWh}\).

A6.3 VERTIEFUNG Ein Wasserkocher mit \(2000\;\text{W}\) bringt \(1.5\;\text{l}\) Wasser in \(5.0\;\text{min}\) von \(20\,^\circ\text{C}\) auf \(100\,^\circ\text{C}\). Wie gross ist sein Wirkungsgrad? (\(c_\text{Wasser} = 4182\;\text{J/(kg}\cdot\text{K)}\))

Lösung anzeigen

\[ E_\text{nutz} = m\cdot c\cdot\Delta T = 1.5\;\text{kg}\cdot 4182\;\text{J/(kg}\cdot\text{K)}\cdot 80\;\text{K} = 502\;\text{kJ} \]

\[ E_\text{zu} = P\cdot t = 2000\;\text{W}\cdot 300\;\text{s} = 600\;\text{kJ} \]

\(\eta = 502\;\text{kJ} / 600\;\text{kJ} = 0.84\) — rund ein Sechstel der Energie wärmt Gehäuse und Luft.

SCHRITT 7

Verlustleistung: warum Hochspannung

Wer Leistung über lange Leitungen schickt, verliert einen Teil davon als Wärme — und hohe Spannung macht diesen Teil klein.

Im Haus brauchen wir 230 V. Warum werden auf den Überlandleitungen dann 380 000 V übertragen?

Jede Leitung hat einen Widerstand \(R\). Fliesst der Strom \(I\) hindurch, wird in ihr die Leistung \(P_\text{V} = R\cdot I^2\) zu Wärme — sie kommt beim Verbraucher nie an. Soll die Leistung \(P = U\cdot I\) übertragen werden, kann man das mit grosser Spannung und kleinem Strom tun oder umgekehrt. Der Verlust hängt am Quadrat des Stroms:

\[ P_\text{V} = R\cdot I^2 = R\cdot\left(\frac{P}{U}\right)^2 \]

Zehnfache Spannung heisst ein Zehntel des Stroms — und ein Hundertstel des Verlusts.

0 % 10 % 20 % Verlust in % der übertragenen Leistung 10 100 200 300 400 U in kV 20.0 %
Übertragungsspannung 10 kV
Strom 1000 A; Verlustleistung 2.00 MW; Anteil 20.0 %
Übertragen werden 10 MW über eine Leitung mit 2 Ω
Abb. 7 — Modell: 10 MW über eine Leitung mit 2 Ω. Zieh die Spannung von 10 kV auf 100 kV: Der Strom fällt auf einen Zehntel, der Verlust auf einen Hundertstel. Bei 380 kV bleibt fast nichts mehr übrig.

Merksatz

Bei gleicher übertragener Leistung heisst hohe Spannung kleiner Strom. Die Verlustleistung in der Leitung, \(P_\text{V} = R\cdot I^2\), sinkt mit dem Quadrat des Stroms.

A7.1 KERN Eine Werkstatt braucht \(4.6\;\text{kW}\). Die Zuleitung hat \(0.60\;\Omega\). Berechne Strom und Verlustleistung in der Leitung bei \(230\;\text{V}\) und bei \(400\;\text{V}\).

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230 V: \(I = 4600\;\text{W}/230\;\text{V} = 20\;\text{A}\); \(P_\text{V} = 0.60\;\Omega\cdot(20\;\text{A})^2 = 240\;\text{W}\) — gut \(5\;\%\) der Leistung.

400 V: \(I = 11.5\;\text{A}\); \(P_\text{V} = 0.60\;\Omega\cdot(11.5\;\text{A})^2 = 79\;\text{W}\) — rund ein Drittel davon. Das Verhältnis \((400/230)^2 = 3.0\) ist das Quadrat des Spannungsverhältnisses.

A7.2 KERN Ohne Rechnung: Die Übertragungsspannung wird verdreifacht, die Leistung bleibt gleich. Was geschieht mit Strom und Verlustleistung?

Lösung anzeigen

Der Strom fällt auf einen Drittel (\(I = P/U\)), die Verlustleistung auf einen Neuntel (\(P_\text{V} \sim I^2\)).

A7.3 VERTIEFUNG In der Werkstatt aus A7.1 fällt bei \(230\;\text{V}\) über der Zuleitung eine Spannung ab. Wie gross ist sie, und was merkt man davon am Gerät?

Lösung anzeigen

\(U_\text{V} = R\cdot I = 0.60\;\Omega\cdot 20\;\text{A} = 12\;\text{V}\). Am Gerät kommen nur noch rund \(218\;\text{V}\) an. Schaltet eine grosse Maschine ein, sinkt die Spannung kurz — Lampen am selben Kreis flackern.

TEST

Gesamttest zur Selbstkontrolle

20 Minuten, Taschenrechner. Erst alles rechnen, dann auswerten.

Sechs Aufgaben, zusammen \(16\) Punkte. Wer \(11\) Punkte erreicht, beherrscht den Stoff. Die Auswertungstabelle am Schluss sagt, wo nachzuarbeiten ist.

T.1 2 P Ein Heizelement hat \(46\;\Omega\) und liegt an \(230\;\text{V}\). Welcher Strom fliesst? Welcher bei \(115\;\text{V}\), wenn der Widerstand gleich bleibt?

T.2 2 P Gemessen an einem Bauteil: \(1\;\text{V}\) und \(100\;\text{mA}\); \(2\;\text{V}\) und \(160\;\text{mA}\); \(4\;\text{V}\) und \(240\;\text{mA}\); \(8\;\text{V}\) und \(350\;\text{mA}\). Ist es ohmsch? Um welche Art Bauteil könnte es sich handeln?

T.3 3 P Jemand will Strom und Spannung einer Lampe messen und klemmt das Amperemeter parallel zur Lampe, das Voltmeter in die Zuleitung. Was zeigen die Geräte, und was passiert? Wie wäre es richtig?

T.4 3 P Ein zweiadriges Kupferkabel (\(\rho = 0.017\;\Omega\,\text{mm}^2/\text{m}\)) ist \(30\;\text{m}\) lang, jede Ader \(2.5\;\text{mm}^2\). Berechne den Widerstand beider Leiter und den Spannungsabfall bei \(16\;\text{A}\).

T.5 3 P Ein Wasserkocher mit \(2000\;\text{W}\) läuft an \(365\) Tagen je \(4\;\text{min}\). Wie viel Energie ist das im Jahr in kWh und in MJ, und was kostet sie bei \(0.25\;\text{CHF/kWh}\)?

T.6 3 P \(20\;\text{kW}\) werden über eine Leitung mit \(0.50\;\Omega\) übertragen, einmal mit \(400\;\text{V}\), einmal mit \(4000\;\text{V}\). Berechne die Verlustleistung in beiden Fällen und erkläre das Verhältnis.

Lösungen aller sechs Aufgaben anzeigen

T.1 \(I = 230\;\text{V}/46\;\Omega = 5.0\;\text{A}\); bei halber Spannung \(2.5\;\text{A}\). (je 1 P)

T.2 \(U/I\) = \(10\), \(12.5\), \(16.7\), \(22.9\;\Omega\) — der Widerstand wächst mit der Spannung, das Bauteil ist nicht ohmsch. Es verhält sich wie eine Glühlampe (Kaltleiter): Der Draht wird heisser, sein Widerstand grösser. (Rechnung 1 P, Schluss 1 P)

T.3 Das Amperemeter parallel überbrückt die Lampe mit seinem kleinen Innenwiderstand: Kurzschluss über das Gerät, sehr grosser Strom, seine Sicherung brennt durch. Das Voltmeter in der Zuleitung lässt wegen seines grossen Innenwiderstands kaum Strom durch — die Lampe bleibt dunkel, es zeigt fast die Quellenspannung. Richtig: Amperemeter in Serie, Voltmeter parallel zur Lampe. (je 1 P)

T.4 Leiterlänge \(60\;\text{m}\); \(R = 0.017\cdot 60/2.5 = 0.408\;\Omega\); \(U_\text{V} = 0.408\;\Omega\cdot 16\;\text{A} = 6.5\;\text{V}\). (Leiterlänge 1 P, R 1 P, Spannungsabfall 1 P)

T.5 \(t = 365\cdot 4\;\text{min} = 24.3\;\text{h}\); \(E = 2.0\;\text{kW}\cdot 24.3\;\text{h} = 48.7\;\text{kWh} = 175\;\text{MJ}\); Kosten \(12.17\;\text{CHF}\). (je 1 P)

T.6 \(400\;\text{V}\): \(I = 50\;\text{A}\), \(P_\text{V} = 0.50\cdot 50^2 = 1250\;\text{W}\). \(4000\;\text{V}\): \(I = 5.0\;\text{A}\), \(P_\text{V} = 12.5\;\text{W}\). Zehnfache Spannung, ein Zehntel des Stroms, ein Hundertstel des Verlusts. (je 1 P für beide Fälle, 1 P Begründung)

Auswertung

AufgabeSchrittausführlich nachlesen
T.11 · Ohmsches Gesetz6.2 Das Ohmsche Gesetz
T.22 · Kennlinien6.2 Grundbegriffe
T.33 · Messen6.2 Messen im Stromkreis
T.44 · Widerstand eines Leiters6.2 Der Widerstand eines Leiters
T.56 · Energie und Kosten6.2 Leistung und Energie
T.67 · Verlustleistung6.2 Der Widerstand eines Leiters

Unter \(11\) Punkten: den betroffenen Schritt noch einmal durcharbeiten, danach den Test wiederholen. Die häufigsten Punkteverluste entstehen bei der vergessenen doppelten Leiterlänge (Schritt 4) und bei Vorsilben (mA, kW, kWh).

Formeln und Werte auf einen Blick

GrösseFormelbemerkt
Stromstärke\(I = \dfrac{Q}{t}\)\(1\;\text{A} = 1\;\text{C/s}\); konstanter Strom
Ohmsches Gesetz\(U = R\cdot I\)ohmsch: \(R\) konstant bei konstanter Temperatur
Widerstand\(R = \dfrac{U}{I}\)für jeden Arbeitspunkt
Widerstand eines Leiters\(R = \rho\cdot\dfrac{l}{A}\)\(l\) = Leiterlänge
Leistung\(P = U\cdot I = R\cdot I^2 = \dfrac{U^2}{R}\)\(1\;\text{W} = 1\;\text{J/s}\)
Energie\(E = P\cdot t\)konstante Leistung
Kilowattstunde\(1\;\text{kWh} = 3.6\;\text{MJ}\)
Wirkungsgrad\(\eta = \dfrac{E_\text{nutz}}{E_\text{zu}} \lt 1\)reine Zahl
Verlustleistung\(P_\text{V} = R\cdot I^2\)Leitung, bei gleicher Leistung \(\sim 1/U^2\)

Wie es weitergeht

Das Leitprogramm Schaltungen berechnen baut direkt darauf auf: Reihen-, Parallel- und gemischte Schaltungen, Spannungsteiler und die Leistung einzelner Bauteile. Die Themenseite 6.2 Elektrizität vertieft dieses Kapitel mit weiteren Animationen und Aufgaben — dort stehen auch die Gefahren des elektrischen Stroms und die Schutzmassnahmen. Wer beim Umstellen der Formeln unsicher war, findet im Leitprogramm Rechnen und Schliessen das nötige Werkzeug.