Glühfaden Taschenlampe Durch den Glühfaden einer Taschenlampe fliesst ein Strom von Lampe ist 5 Minuten eingeschaltet.

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1 1 ASE Glühfaden Taschenlampe Durch den Glühfaden einer Taschenlampe fliesst ein Strom von Lampe ist 5 Minuten eingeschaltet. a) Welche Ladung bewegt sich durch den Glühfaden? b) Welcher Elektronenzahl entspricht diese Ladung? 0,18 A. Die 4,258 A Ladung Q = I t [As] Elementarladung eines Elektrons 19 Q e = 1, As Anzahl Elektronen Q n e = Q e

2 2 Bleiakkumulator Ein Bleiakkumulator wird 7 Stunden lang mit 2,2 A geladen. Berechnen Sie 15,4 Ah 3, a).die Ladung Q. 19 b) die Elektronenzahl der Ladung ( Q e = 1, As ) Beim Bleiakkumulator besteht die Kathode aus Bleidioxid, die Anode aus Blei, Elektrolyt ist %ige Schwefelsäure. Ladung Q = I t [Ah]

3 3 Orientierungsleuchte In einem Schalter ist als Orientierungsbeleuchtung eine Glimmlampe eingebaut. Es fliesst ein Strom von 0,4 ma. Berechnen Sie die elektrische Ladung, die innerhalb eines Tages transportiert wird. 34,56 As 9, Ah

4 4 RE 1.46 Vernickelung Eine Haube wird bei 5 V Spannung und 25 A Stromstärke in 18 Minuten vernickelt. Welche Elektrizitätsmenge wurde benötigt (in As und Ah angeben)? 27 '000s 7,5 Ah Das Vernickeln wird heute vor allem angewendet für: Leuchter Armaturen Gehäuse

5 5 RE 1.47 Verzinnen Der Becher eines Wasserkochers wurde in 31 Minuten galvanisch verzinnt und benötigte hiezu 2,2 Ah Elektrizitätsmenge. Bei welcher Stromstärke wurde galvanisiert? 4,258 A Aufbau eines galvanischen Zinkbades 1 Kathodenanschluß 2 Anodenschiene aus Kupfer mit Anschlüssen 3 Luftzuführung zur Elektrolytumwälzung 4 Heizregister 5 Kühlregister 6 Warenschiene, motorisch bewegt in vertikaler oder horizontaler Richtung 7 angeschraubte Zinkanode 8 Werkstückträger 9 zu galvanisierendes Werkstück 10 Stahlbehälter ( Wanne oder Bad ) 11 chemikalienbeständige Gummierung 12 Luftabsaugkanal (an beiden Wannenrändern) Verzinnen von Litzendrähten Lötstation

6 6 ASE Leiterstrom Durch einen Leiter fliesst 1 Sekunde lang ein Strom von 1 A. a) Welche Elektrizitätsmenge wird hierbei transportiert? b) Wie viel Elektronen werden dabei durch den Leiter bewegt? c) Wie lange würde es dauern, wenn in 1 Sekunde jeweils ein Elektron in einen Behälter fällt, bis sich die gesamte elektrische Ladung in dem Begälter befindet? d) Wie viel Elektronen müssten pro Sekunde in den Behälter fallen, damit der Vorgang in einem Jahr beendet ist? 1 As 6, , , a Definition des elektrischen Stromes wandernde Elektronen Atomreste (Jonen) Schnittebene Cu-Leiter Fliesst pro Sekunde eine Ladung von 1As durch ein Flächenelement, so ist der gemessene Strom ein Ampère.

7 7 RE 1.48 Klemmenteile verzinken Zum galvanischen verzinken von 6' 200 stählernen Klemmenteilen sind bei 180 A Stromstärke 150 Ah Elektrizitätsmenge nötig. Wieviele Minuten dauert das Verzinken? 50 min. Kleinanlage Schleuderverzinken max. Teilelänge bis 700 mm Gewindestäbe, Nagel bis zur Platte Verfahrensablauf des Stückverzinkens (Feuerverzinken schematisch) Vrianten Kathodischer Korrosionsschutz Zinkstaubbeschichtung Sptitzverzinken Elektrolythisches Verzinken Feuerverzinken

8 8 ASE Kupferwürfel Ein Kupferwürfel von cm enthält etwa 5 10 freie Elektronen. Wieviel freie Elektronen befinden sich in einem Leiterstück von 1 m Länge und 1, 5mm Querschnitt? 2 7,

9 9 Elektronengeschwindigkeit Elektrischer Strom ist bewegte Ladung. Die Elektronen sind dabei die Ladungsträger. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronen bewegen, kann berechnet werden. Die Geschwindigkeit ist abhängig vom Leiterwerkstoff, von seinem Querschnitt, von der Stromstärke und der Temperatur. Mit steigender Temperatur vergrößert sich die Brownsche Molekularbewegung. Das verkürzt die mittlere freie Weglänge der Elektronen. Sie stoßen häufiger zusammen, wobei ihre relative Geschwindigkeit abnimmt. In den folgenden Rechnungen wird der Temperatureinfluss nicht beachtet. Die Elektronengeschwindigkeit in einem Kupferdraht soll berechnet werden. 2 Der Draht hat einen Querschnitt von 1mm. Es fließt ein Strom von 1 A. 0,07401mm / s Elektronengeschwindigkeit Die Elektronengeschwindigkeit ist abhängig vom Leitermaterial und von der Stromgrösse. v D I l = ρ A l N Q A Ar Driftgeschwindigkeit eines Elektrons in mm s e l Länge [mm] A Querschnitt [mm 2 ] ρ Dichte [g mm 2 ] NA Avogadro-Zahl [e mol] Qe Ladung Elektron [As] I Strom [A] Molare Masse Molmasse Kupfer A r = 63,546 g / mol Diese relative Atommasse muss aus der Tabelle Wertigkeit der Elemente des Periodensystems entnommen werden. Dichte Kupfer 3 3 ρ Cu = 8,95 10 g / mm Die Teilchenzahl e pro ein Mol Stoffmenge (Avogadro- Konstante) hat den Wert: 23 N A = 6, e / mol (e Elektronen) Ladung Elektron 19 Q e = 1, As

10 10 RE 1.49 Aluminium Herstellung Bei der Herstellung von Aluminium fliesst ein Strom von durchschnittlich 45 ka. Welche Elektrizitätsmenge in Ah wird pro Tag bei ununterbrochenem Betrieb benötigt? 1080 kah Das Aluminium steht im Periodensystem der Elemente in der 3. Hauptgruppe und trägt die Ordnungszahl 13. Die 3. Hauptgruppe bezeichnet man als die Bor- bzw. Erdmetallgruppe, wobei anzumerken ist, dass letztere Bezeichnung nicht mehr gebräuchlich ist, da es sich nur auf Aluminiumoxid (Al2O3 ) bezieht. Aluminium ist das Element, das in der Erdkruste am häufigsten vorliegt, allerdings tritt es dort nur in chemisch gebundenem Zustand auf. Grund hierfür ist die Reaktionsfreudigkeit des Elements. Darüber hinaus ist Aluminium das dritthäufigste Element überhaupt. Typisch für dieses Metall ist die Oxidationsschicht, die sich bei Luftkontakt bildet und so den übrigen Metallkörper vor Korrosion schützt.

11 11 ASE Signalleuchte 2 In einem Signalstromkreis ( A = 1mm ) ist die Meldeleuchte 30 m vom Auslösekontakt entfernt. a) Welche Zeit vergeht, bis der Impuls im Leiter die Meldeleuchte erreicht hat? b) Wie lange dauert es, bis ein Elektron die Strecke zurückgelegt hat, wenn die Elektronengeschwindigkeit mit 0,0734mm / s angenommen wird? 0,11µs 113,53h Elektromagnetische Welle Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: 300 '000 km / s Impulsgeschwindigkeit im elektrischen Leiter, ca: 270 '000 km / s

12 12 RE 1.50 Verzinken Wie gross war die Stromstärke beim Verzinken eines Bolzens, wenn in 10 Minuten 11,62 Ah verbraucht werden? 69,72A Schema des elektrochemischen Galvanisierens In einem Elektrolyt wird beim Verzinken die Zinkschicht galvanisch auf das Werkstück abgeschieden. Der Elektrolyt kann beim Verzinken unterschiedlich zusammengesetzt sein und eine Temperatur von 20 bis 60 Grad Celsius haben. Es kommt dabei zu keinen Verspannungen und keinen Materialverformungen.

13 13 ASE Batterie laden Eine Batterie 12 V / 44 Ah wird mit dem konstanten Strom 8,8 A geladen, bis 80 % ihrer Nennkapazität erreicht sind. Wie lange dauert der Ladevorgang? 4 h Batterie Ladevorgang Schematischer Aufbau einer Lithium- Ionen-Zelle positive Elektrode: LiCoO2 negative Elektrode: Li-Graphit Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen (2010) Li- Ionen-Akkus besteht aus Graphit. Die positive Elektrode enthält meist Lithium-Metalloxide (vom Spinell-Typ), wie LiCoO2 (Lithiumcobaltdioxid), LiNiO2 oder LiMn2O4.

14 14 RE 1.51 Elektrochemischer Versuch Bei einem elektrochemischen Versuch wurden bei gemessen. Bestimmen Sie die Versuchsdauer! 360 ma Stromstärke 86,4 As 240 s

15 15 ASE Monozelle Eine Monozelle kann bei 2 h Einschaltdauer pro Tag 10 h lang einen Strom von 250 ma abgeben. a) Welche Elektrizitätsmenge kann der Monozelle entnommen werden? b) Zeichnen Sie das I t -Diagramm. 2,5Ah Aussehen Monozelle Mono-Batterien Alkali-Mangan Zink-Kohle Nickel-Metallhydrid Nickel-Cadmium

16 16 ASE TV-Gerät (Röhrenvernseher) In der Horizontal-Endstufe (Zeitablenkung) eines TV-Gerätes steigt der Strom in 52 ms linear von 4,5 A auf + 4,5 A an. Welche Ladung wird dabei transportiert? Lösen Sie die Aufgabe mit Hilfe des Strom-Zeit-Diagramms! 234 mc Diagramm der Ladung

17 TG Frage Wie verhalten sich gleiche Ladungen zueinander? TG Frage Wie verhalten sich ungleiche Ladungen zueinander? TG Frage Wodurch unterscheidet sich ein Ion von einem Atom? (Zutreffendes ankreuzen!) Ionen sind elektrisch neutral, Atome sind elektrisch geladen. Ein Ion hat mehr oder weniger Elektronen als Protonen, bei einem Atom sind beide Teilchen in gleicher Anzahl vorhanden. Atome sind elektrisch neutral, Ionen sind elektrisch geladen. Ionen sind immer positiv, Atome immer negativ gelade. Ionen sind immer negativ, Atome immer positiv geladen. TG Frage Wie gross ist die Elementarladung eines Elektrons? Wieviele Elektronen müssen durch ein Flächenelement wandern, damit ihre gesamte Ladung 1 AS (1 Coulomb) ergibt?