Wärmewirkung des Stroms – der Versuch Q = I²Rt
PhysikElektrizität und StromkreiseAlter 16–17Virtuelles Labor
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Als Nächstes in Elektrizität und Stromkreise
Eine Heizwendel in einem Kalorimeter mit Wasser: Stellen Sie Stromstärke und Zeit ein, lesen Sie das Thermometer ab und prüfen Sie Q = I²Rt = mcΔT, indem Sie ΔT gegen I² und gegen t auftragen. Weitere Ansichten zeigen, warum ein Heizelement aus Nichrom heiß wird und die Kupferleitungen kühl bleiben, wie eine Sicherung bei Überlast schmilzt und ein Leitungsschutzschalter auslöst, und wie Glühlampe, Bügeleisen und Wasserkocher die Wirkung nutzen.
Lektion: Wärmewirkung des elektrischen Stroms, joulesches Gesetz
Was sie zeigt
Fließt Strom durch einen Leiter, wird elektrische Energie zu Wärme: Q = I²Rt. In einem isolierten Kalorimeter erwärmt diese Wärme das Wasser, Q = mcΔT mit c = 4186 J/(kg·K), also ist ΔT proportional zu I² und zu t. In einer Reihenschaltung führen Heizelement und Leitungen denselben Strom, darum gibt der Teil mit dem größeren Widerstand weit mehr Wärme ab. Sicherungen und Leitungsschutzschalter nutzen dieselbe Wirkung zum Schutz des Stromkreises. Das Modell vernachlässigt die Wärmekapazität von Becher und Wendel, und die Kennlinien von Sicherung und Schalter sind vereinfacht.
So funktioniert es
Stellen Sie bei Kalorimeter Stromstärke I, Widerstand R, Wassermasse m und Heizdauer t ein und drücken Sie Einschalten. Jede Messung kommt in die Tabelle. Ändern Sie nur I und messen Sie mindestens dreimal für das Diagramm ΔT gegen I²; wählen Sie ΔT gegen t und ändern Sie nur t für das zweite Diagramm. Ändern Sie bei Element und Leitungen den Elementwerkstoff und I. Wählen Sie bei Sicherung und MCB den Nennstrom, stellen Sie Laststrom ein und drücken Sie Einschalten. Wählen Sie bei Geräte Gerät, Spannung und Zeit und drücken Sie Daten notieren.
Einstellbare Parameter
- Ansicht Kalorimeter, Element und Leitungen, Sicherung und MCB, Geräte
- Stromstärke I 0,5–4 A
- Widerstand R 2–10 Ω
- Wassermasse m 100–500 g
- Heizdauer t 60–600 s
- Becher ohne Isolierung
Fragen zum Erkunden
- I steigt von 2 A auf 4 A, R, m und t bleiben gleich. Um welchen Faktor wächst ΔT?
- Berechnen Sie aus einer Messung die spezifische Wärmekapazität c von Wasser. Wird der Wert ohne Isolierung größer oder kleiner?
- Welcher kleinste Laststrom schmilzt eine 10-A-Sicherung innerhalb von 60 s, und wie lange braucht der 10-A-MCB bei diesem Strom?
