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Version 6 1
ASE 2.1.1
Glühfaden Taschenlampe
Durch den Glühfaden einer Taschenlampe fliesst ein Strom von 0 ,18 A . Die Lampe ist 5 Minuten eingeschaltet.
a) Welche Ladung bewegt sich durch den Glühfaden?
b) Welcher Elektronenzahl entspricht diese Ladung?
A ,258 4
Ladung
t I Q = ⋅
[As]
Elementarladung eines Elektrons
As ,
Q
e= 1 602 ⋅ 10
−19Anzahl Elektronen
e
e
Q
n = Q
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Version 6 2 Bleiakkumulator
Ein Bleiakkumulator wird 7 Stunden lang mit 2,2 A geladen.
Berechnen Sie
a).die Ladung Q.
b) die Elektronenzahl der Ladung ( Q
e= 1 , 602 ⋅ 10
−19As )
Ah ,4 15
10
2346 3 , ⋅
Beim Bleiakkumulator besteht die Kathode aus Bleidioxid, die Anode aus Blei, Elektrolyt ist 20-36 %ige Schwefelsäure.
Ladung
t I Q = ⋅
[Ah]
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Version 6 3 Orientierungsleuchte
In einem Schalter ist als Orientierungsbeleuchtung eine Glimmlampe einge- baut. Es fliesst ein Strom von 0,4 mA. Berechnen Sie die elektrische Ladung, die innerhalb eines Tages transportiert wird.
As ,56 34
Ah
, 6 10
39 ⋅
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Version 6 4
RE 1.46
Vernickelung
Eine Haube wird bei 5 V Spannung und 25 A Stromstärke in 18 Minuten verni- ckelt. Welche Elektrizitätsmenge wurde benötigt (in As und Ah angeben)?
s '000 27
Ah ,5 7
Das Vernickeln wird heute vor allem angewendet für:
•Leuchter
•Armaturen
•Gehäuse
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Version 6 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 gal- vanisiert?
A ,258 4
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 Wannenrän-
dern)
Verzinnen von Litzendrähten
Lötstation
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Version 6 6
ASE 2.1.2
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 Begäl- ter befindet?
d) Wie viel Elektronen müssten pro Sekunde in den Behälter fallen, damit der Vorgang in einem Jahr beendet ist?
As 1
10
18242 6 , ⋅
a , 9 10
9197 ⋅
10
99 197 , ⋅
Definition des elektrischen Stromes
Schnittebene +
+
+ + + +
Atomreste
(Jonen) -
- - -
- - - -
- wandernde Elektronen
Cu-Leiter
Fliesst pro Sekunde eine Ladung von 1As durch ein Flächenelement, so ist der gemessene Strom ein Ampère.
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Version 6 7
RE 1.48
Klemmenteile verzinken
Zum galvanischen verzinken von 6 ' 200 stählernen Klemmenteilen sind bei A
180 Stromstärke 150 Ah Elektrizitätsmenge nötig.
Wieviele Minuten dauert das Verzinken?
. min 50
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
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Version 6 8
ASE 2.1.3
Kupferwürfel
Ein Kupferwürfel von 1cm
3enthält etwa 5⋅ 10
23freie Elektronen. Wieviel freie Elektronen befinden sich in einem Leiterstück von 1 m Länge und 1 , 5 mm
2Querschnitt?
10
235
7 , ⋅
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Version 6 9 Elektronengeschwindigkeit
Elektrischer Strom ist bewegte Ladung. Die Elektronen sind dabei die La- dungsträger. 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.
Der Draht hat einen Querschnitt von 1mm
2. Es fließt ein Strom von 1 A .
s mm / 0736 , 0
Elektronengeschwindigkeit Die Elektronengeschwindigkeit ist abhängig vom Leitermaterial und von der Stromgrösse.
e A r D
Q A N l A
l v I
⋅
⋅
⋅
⋅
= ⋅
ρ
Driftgeschwindigkeit eines Elektrons in
s mm
l Länge [mm]
A Querschnitt [mm2]
ρ Dichte [g|mm2]
NA Avogadro-Zahl [e|mol]
Qe Ladung Elektron [As]
I Strom [A]
Molare Masse Molmasse Kupfer
mol g Ar=63,546 /
Diese relative Atommasse muss aus der Tabelle 2.1.3.2 Wertig- keit der Elemente des Perioden- systems entnommen werden.
Dichte Kupfer 3
3 /
10 95 ,
8 g mm
Cu
⋅ −
ρ =
Die Teilchenzahl e pro ein Mol Stoffmenge (Avogadro- Konstante) hat den Wert:
mol e NA=6,022⋅1023 /
(e Elektronen)
Ladung Elektron
As Qe=1,602⋅10−19
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Version 6 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?
kAh 1080
Das Aluminium steht im Periodensys- tem der Elemente in der 3. Haupt- gruppe 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 Alumini-
um das dritthäufigste Element über- haupt.
Typisch für dieses Metall ist die Oxidationsschicht, die sich bei Luftkontakt bildet und so den übrigen
Metallkörper vor Korrosion schützt.
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Version 6 11
ASE 2.1.4
Signalleuchte
In einem Signalstromkreis ( A = 1 mm
2) ist die Meldeleuchte 30 m vom Auslöse- kontakt 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 ,0734 mm / s angenommen wird?
s 11 µ , 0
h 53 , 113
Elektromagnetische Welle Lichtgeschwindigkeit
im Vakuum:
s / km '000 300
Impulsgeschwindigkeit im elektrischen Leiter, ca:
s
/
km
'000
270
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Version 6 12
RE 1.50
Verzinken
Wie gross war die Stromstärke beim Verzinken eines Bolzens, wenn in 10 Minuten 11 ,62 Ah verbraucht werden?
A ,72 69
Schema des elektrochemischen Galvanisierens
In einem Elektrolyt wird beim Verzin- ken die Zinkschicht galvanisch auf das Werkstück abgeschieden. Der Elektro-
lyt kann beim Verzinken unterschied- lich zusammengesetzt sein und eine Temperatur von 20 bis 60 Grad Celsius haben. Es kommt dabei zu keinen Verspannungen und keinen
Materialverformungen.
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Version 6 13
ASE 2.1.5
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?
h 4
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.
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Version 6 14
RE 1.51
Elektrochemischer Versuch
Bei einem elektrochemischen Versuch wurden bei 360 mA Stromstärke 86 ,4 As gemessen. Bestimmen Sie die Versuchsdauer!
s
240
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Version 6 15
ASE 2.1.6
Monozelle
Eine Monozelle kann bei 2 h Einschaltdauer pro Tag 10 h lang einen Strom von mA
250 abgeben.
a) Welche Elektrizitätsmenge kann der Monozelle entnommen werden?
b) Zeichnen Sie das I − t -Diagramm.
Ah 5 , 2
Aussehen Monozelle
Mono-Batterien Alkali-Mangan
Zink-Kohle Nickel-Metallhydrid
Nickel-Cadmium
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Version 6 16
ASE 2.1.9
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 transpor- tiert? Lösen Sie die Aufgabe mit Hilfe des Strom-Zeit-Diagramms!
mC
234
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Version 6
TG
7.1.3 101
Frage
Wie verhalten sich gleiche Ladungen zueinan- der?
TG
7.1.3 102
Frage
Wie verhalten sich ungleiche Ladungen zueinan- der?
TG
7.1.3 103
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
7.1.3 104
Frage
