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Gefahr durch Strom und Körperwiderstand

Grundwissen

  • Strom kann für den Menschen schon ab ca. \(30\,\rm{mA}\) tödlich sein.
  • Wechselstrom ist gefährlicher als Gleichstrom.
  • Der Körperwiderstand liegt mit Übergangswiderständen der Haut im Bereich von \(1\)-\(5\,\rm{k}\Omega\), je nach Weg durch den Körper.

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  • Strom kann für den Menschen schon ab ca. \(30\,\rm{mA}\) tödlich sein.
  • Wechselstrom ist gefährlicher als Gleichstrom.
  • Der Körperwiderstand liegt mit Übergangswiderständen der Haut im Bereich von \(1\)-\(5\,\rm{k}\Omega\), je nach Weg durch den Körper.

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Elektrizität und Ladung

Grundwissen

  • Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
  • Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
  • Ladungen sind die Ursache dafür, dass sich Gegenstände anziehen und abstoßen können.
  • Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.

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  • Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
  • Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
  • Ladungen sind die Ursache dafür, dass sich Gegenstände anziehen und abstoßen können.
  • Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.

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Induktionsstrom und Regel von Lenz

Grundwissen

  • Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass der Induktionsstrom der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.
  • Die LENZsche ermöglicht einfache Vorhersagen zur Richtung auftretender Induktionsströme.

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  • Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass der Induktionsstrom der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.
  • Die LENZsche ermöglicht einfache Vorhersagen zur Richtung auftretender Induktionsströme.

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Elektrische Ladung und die Einheit Coulomb

Grundwissen

  • Ist ein Körper elektrisch neutral, dann befinden sich in und auf ihm gleich viele Protonen und Elektronen.
  • Ist ein Körper negativ geladen, dann befinden sich in und auf ihm mehr Elektronen als Protonen.
  • Ist ein Körper positiv geladen, dann befinden sich in und auf ihm mehr Protonen als Elektronen (besser: weniger Elektronen als Protonen).
  • Das Formelzeichen für die elektrische Ladung ist \(q\) oder \(Q\), die Maßeinheit der elektrischen Ladung ist \(1\,\rm{C}\) (Coulomb).

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  • Ist ein Körper elektrisch neutral, dann befinden sich in und auf ihm gleich viele Protonen und Elektronen.
  • Ist ein Körper negativ geladen, dann befinden sich in und auf ihm mehr Elektronen als Protonen.
  • Ist ein Körper positiv geladen, dann befinden sich in und auf ihm mehr Protonen als Elektronen (besser: weniger Elektronen als Protonen).
  • Das Formelzeichen für die elektrische Ladung ist \(q\) oder \(Q\), die Maßeinheit der elektrischen Ladung ist \(1\,\rm{C}\) (Coulomb).

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MILLIKAN-Versuch - Schwebe-Fall-Methode ohne CUNNINGHAM-Korrektur (Simulation)

Versuche

Mit Hilfe dieser Simulation kannst du dir selbstständig die Ergebnisse des MILLIKAN-Versuchs erarbeiten.

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MILLIKAN-Versuch - Steige-Fall-Methode ohne CUNNINGHAM-Korrektur (Simulation)

Versuche

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MILLIKAN-Versuch - Steige-Sink-Methode ohne CUNNINGHAM-Korrektur (Simulation)

Versuche

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Magnetische Flussdichte und die Maßeinheit Tesla

Grundwissen

  • Befindet sich ein gerader Leiter der Länge \(l\), der von einem Strom der Stärke \(I\) durchflossen wird, senkrecht zu den Feldlinien in einem magnetischen Feld, und wirkt auf diesen Leiter eine magnetische Kraft vom Betrag \(F_{\rm{mag}}\), dann definieren wir die magnetische Flussdichte \(B\) des magnetischen Feldes am Ort des Leiters durch \(B := \frac{F_{\rm{mag}}}{l \cdot I}\).
  • Die magnetische Flussdichte \(B\) ist ein Maß für "die Stärke" eines magnetischen Feldes.
  • Das Formelzeichen für die magnetische Flussdichte ist \(B\), die Maßeinheit der magnetischen Flussdichte ist \(1\,\rm{T}\) (Tesla).

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  • Befindet sich ein gerader Leiter der Länge \(l\), der von einem Strom der Stärke \(I\) durchflossen wird, senkrecht zu den Feldlinien in einem magnetischen Feld, und wirkt auf diesen Leiter eine magnetische Kraft vom Betrag \(F_{\rm{mag}}\), dann definieren wir die magnetische Flussdichte \(B\) des magnetischen Feldes am Ort des Leiters durch \(B := \frac{F_{\rm{mag}}}{l \cdot I}\).
  • Die magnetische Flussdichte \(B\) ist ein Maß für "die Stärke" eines magnetischen Feldes.
  • Das Formelzeichen für die magnetische Flussdichte ist \(B\), die Maßeinheit der magnetischen Flussdichte ist \(1\,\rm{T}\) (Tesla).

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Magnetfeld von langen Zylinderspulen (qualitativ)

Versuche

  • Demonstration des Magnetfelds (insbesonder im Innenraum) von langen Zylinderspulen

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Versuche

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Elektromagnetischer Schwingkreis stark gedämpft - aperiodischer Grenzfall (Theorie)

Ausblick

  • Im Fall \({\omega_0}^2 = \delta^2\) ist die Schwingung stark gedämpft. Wir sprechen dann vom sogenannten aperiodische Grenzfall.
  • Die Differentialgleichung \((*)\) für die Ladung \(Q(t)\) auf der oberen Platte des Kondensators wird dann gelöst durch die Funktion \(Q(t) = \hat{Q} \cdot \left( {1 + \delta \cdot t} \right) \cdot {e^{ - \delta \cdot t}}\) mit \(\hat{Q}=Q_0\) und \(\delta = \frac{R}{2 \cdot L}\)

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Ausblick

  • Im Fall \({\omega_0}^2 = \delta^2\) ist die Schwingung stark gedämpft. Wir sprechen dann vom sogenannten aperiodische Grenzfall.
  • Die Differentialgleichung \((*)\) für die Ladung \(Q(t)\) auf der oberen Platte des Kondensators wird dann gelöst durch die Funktion \(Q(t) = \hat{Q} \cdot \left( {1 + \delta \cdot t} \right) \cdot {e^{ - \delta \cdot t}}\) mit \(\hat{Q}=Q_0\) und \(\delta = \frac{R}{2 \cdot L}\)

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Elektromagnetischer Schwingkreis stark gedämpft - Kriechfall (Theorie)

Ausblick

  • Im Fall \({\omega_0}^2 < \delta^2\) ist die Schwingung stark gedämpft. Wir sprechen dann vom sogenannten Kriechfall.
  • Die Differentialgleichung \((*)\) für die Ladung \(Q(t)\) auf der oberen Platte des Kondensators wird dann gelöst durch die Funktion \(Q(t) = \hat{Q} \cdot \frac{1}{{2 \cdot \lambda }}\left( {\left( {\lambda + \delta } \right) \cdot {e^{\lambda \cdot t}} + \left( {\lambda - \delta } \right) \cdot {e^{ - \lambda \cdot t}}} \right) \cdot {e^{ - \delta \cdot t}}\) mit \(\hat{Q}=Q_0\), \(\lambda = \sqrt {{\delta ^2} - {\omega_0}^2}\), \(\omega_0=\sqrt{\frac{1}{L \cdot C}}\) und \(\delta = \frac{R}{2 \cdot L}\)

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  • Im Fall \({\omega_0}^2 < \delta^2\) ist die Schwingung stark gedämpft. Wir sprechen dann vom sogenannten Kriechfall.
  • Die Differentialgleichung \((*)\) für die Ladung \(Q(t)\) auf der oberen Platte des Kondensators wird dann gelöst durch die Funktion \(Q(t) = \hat{Q} \cdot \frac{1}{{2 \cdot \lambda }}\left( {\left( {\lambda + \delta } \right) \cdot {e^{\lambda \cdot t}} + \left( {\lambda - \delta } \right) \cdot {e^{ - \lambda \cdot t}}} \right) \cdot {e^{ - \delta \cdot t}}\) mit \(\hat{Q}=Q_0\), \(\lambda = \sqrt {{\delta ^2} - {\omega_0}^2}\), \(\omega_0=\sqrt{\frac{1}{L \cdot C}}\) und \(\delta = \frac{R}{2 \cdot L}\)

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Elektromagnetischer Schwingkreis ungedämpft (Modellbildung)

Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich der ungedämpfte elektromagnetische Schwingkreis mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich der ungedämpfte elektromagnetische Schwingkreis mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Elektromagnetischer Schwingkreis gedämpft (Modellbildung)

Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich der gedämpfte elektromagnetische Schwingkreis mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich der gedämpfte elektromagnetische Schwingkreis mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Aufladen eines Kondensators (Modellbildung)

Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich das Aufladen eines Kondensators mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Entladen eines Kondensators (Modellbildung)

Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich das Entladen eines Kondensators mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Ausblick

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Einschalten eines Stromkreises mit einer Spule (Modellbildung)

Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich das Einschalten eines Stromkreises mit einer Spule mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich das Einschalten eines Stromkreises mit einer Spule mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Ausschalten eines Stromkreises mit einer Spule (Modellbildung)

Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich das Ausschalten eines Stromkreises mit einer Spule mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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Ausblick

  • Auf Basis einer geeigneten Modellierung lässt sich das Ausschalten eines Stromkreises mit einer Spule mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte simulieren.

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\(\frac{e}{m_{\rm{e}}}\)-Bestimmung mit dem WIENschen Geschwindigkeitsfilter

Versuche

  • Bestimmung der spezifischen Ladung \(\frac{e}{m_{\rm{e}}}\) von Elektronen mit einem WIENschen Geschwindigkeitsfilter

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Versuche

  • Bestimmung der spezifischen Ladung \(\frac{e}{m_{\rm{e}}}\) von Elektronen mit einem WIENschen Geschwindigkeitsfilter

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Potentiometerschaltung unbelastet (Simulation)

Versuche
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OHMscher Leiter im Wechselstromkreis

Grundwissen

  • Bei sinusförmigen Stromstärken und Spannungen gilt für den Wechselstromwiderstand eines OHMschen Leiters \(X_R = R\)
  • Es gibt keine Phasenverschiebung der Spannung, die über dem OHMschen Leiter abfällt, gegenüber der Stromstärke: \(\Delta \varphi  =  0\). Dies wird oft so formuliert, dass die Spannung und die Stromstärke "in Phase sind."

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  • Bei sinusförmigen Stromstärken und Spannungen gilt für den Wechselstromwiderstand eines OHMschen Leiters \(X_R = R\)
  • Es gibt keine Phasenverschiebung der Spannung, die über dem OHMschen Leiter abfällt, gegenüber der Stromstärke: \(\Delta \varphi  =  0\). Dies wird oft so formuliert, dass die Spannung und die Stromstärke "in Phase sind."

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Kondensator im Wechselstromkreis

Grundwissen

  • Bei sinusförmigen Stromstärken und Spannungen gilt für den Wechselstromwiderstand eines Kondensators \(X_C = \frac{1}{\omega \cdot C}\)
  • Die Phasenverschiebung der Spannung, die über dem Kondensator abfällt, gegenüber der Stromstärke beträgt \(\Delta \varphi  =  -\frac{\pi}{2}\). Dies wird oft so formuliert, dass "die Spannung der Stromstärke um \(\frac{\pi }{2}\) ( \(90^\circ\)) nachfolgt."

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  • Bei sinusförmigen Stromstärken und Spannungen gilt für den Wechselstromwiderstand eines Kondensators \(X_C = \frac{1}{\omega \cdot C}\)
  • Die Phasenverschiebung der Spannung, die über dem Kondensator abfällt, gegenüber der Stromstärke beträgt \(\Delta \varphi  =  -\frac{\pi}{2}\). Dies wird oft so formuliert, dass "die Spannung der Stromstärke um \(\frac{\pi }{2}\) ( \(90^\circ\)) nachfolgt."

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Spule im Wechselstromkreis

Grundwissen

  • Bei sinusförmigen Stromstärken und Spannungen gilt für den Wechselstromwiderstand einer Spule \(X_L = \omega \cdot L\)
  • Die Phasenverschiebung der Spannung, die über der Spule abfällt, gegenüber der Stromstärke beträgt \(\Delta \varphi  =  +\frac{\pi}{2}\). Dies wird oft so formuliert, dass "die Spannung der Stromstärke um \(\frac{\pi }{2}\) ( \(90^\circ\)) vorauseilt."

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  • Bei sinusförmigen Stromstärken und Spannungen gilt für den Wechselstromwiderstand einer Spule \(X_L = \omega \cdot L\)
  • Die Phasenverschiebung der Spannung, die über der Spule abfällt, gegenüber der Stromstärke beträgt \(\Delta \varphi  =  +\frac{\pi}{2}\). Dies wird oft so formuliert, dass "die Spannung der Stromstärke um \(\frac{\pi }{2}\) ( \(90^\circ\)) vorauseilt."

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Potential und elektrische Spannung

Grundwissen

  • Die Potentialdifferenz \(\Delta {\varphi _{\rm{AB}}}\) ist der Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie \(\Delta {E_{{\rm{pot}}{\rm{,AB}}}}\) und der Probeladung \(q\).
  • Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten A und B ist die Spannung \(U_{\rm{AB}}\).
  • Alle Punkte mit gleichem Potential befinden sich auf einer Äquipotentiallinie.

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  • Die Potentialdifferenz \(\Delta {\varphi _{\rm{AB}}}\) ist der Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie \(\Delta {E_{{\rm{pot}}{\rm{,AB}}}}\) und der Probeladung \(q\).
  • Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten A und B ist die Spannung \(U_{\rm{AB}}\).
  • Alle Punkte mit gleichem Potential befinden sich auf einer Äquipotentiallinie.

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Ladungseigenschaften

Grundwissen

  • Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
  • Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
  • In Leitern können sich negative Ladungen relativ frei bewegen.
  • Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.

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  • Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
  • Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
  • In Leitern können sich negative Ladungen relativ frei bewegen.
  • Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.

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Ein- und Ausschalten von RC-Kreisen

Grundwissen

  • Ladung auf dem Kondensator, Strom im Kreis, und die Spannungen über dem Widerstand und dem Kondensator können beim Ein- und Ausschalten mit Exponentialfunktionen beschrieben werden.
  • Für die Halbwertszeit der Größen gilt jeweils \({t_H} = R \cdot C \cdot \ln \left( 2 \right)\).

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  • Ladung auf dem Kondensator, Strom im Kreis, und die Spannungen über dem Widerstand und dem Kondensator können beim Ein- und Ausschalten mit Exponentialfunktionen beschrieben werden.
  • Für die Halbwertszeit der Größen gilt jeweils \({t_H} = R \cdot C \cdot \ln \left( 2 \right)\).

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KIRCHHOFFsche Gesetze für Fortgeschrittene

Grundwissen

  • Die Knotenregel kann auch bei beliebig vielen zu- und abfließenden Strömen genutzt werden.
  • Die Maschenregel gilt auch bei mehreren Quellen in einem Stromkreis.
  • So lassen sich auch Ströme und Spannungen in sehr komplexen Schaltungen berechnen.

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  • Die Knotenregel kann auch bei beliebig vielen zu- und abfließenden Strömen genutzt werden.
  • Die Maschenregel gilt auch bei mehreren Quellen in einem Stromkreis.
  • So lassen sich auch Ströme und Spannungen in sehr komplexen Schaltungen berechnen.

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Von Ladung zum elektrischen Strom

Grundwissen

  • Werden fortlaufend elektrische Ladungen transportiert, so fließt ein elektrischer Strom.
  • Je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche in einem Leiter fließen, desto größer ist die Stromstärke \(I\) im Leiter.
  • Es gilt \({\text{Stromstärke}}=\frac{{{\text{Ladung durch Testfläche}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\), also \(I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\)

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  • Werden fortlaufend elektrische Ladungen transportiert, so fließt ein elektrischer Strom.
  • Je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche in einem Leiter fließen, desto größer ist die Stromstärke \(I\) im Leiter.
  • Es gilt \({\text{Stromstärke}}=\frac{{{\text{Ladung durch Testfläche}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\), also \(I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\)

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Elektrische Spannung und Energie

Grundwissen

  • Elektrische Spannung kann gut in Analogie mit dem offenen Wasserkreislauf verstanden werden.
  • Die Spannung einer elektrischen Quelle ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Ladung und dem Ladungsbetrag: \(U = \frac{{{E_{pot}}}}{Q}\)

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  • Elektrische Spannung kann gut in Analogie mit dem offenen Wasserkreislauf verstanden werden.
  • Die Spannung einer elektrischen Quelle ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Ladung und dem Ladungsbetrag: \(U = \frac{{{E_{pot}}}}{Q}\)

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Reihenschaltung von Widerständen

Grundwissen

  • Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier in Reihe geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(R_{12}=R_1 + R_2\)
  •  Der Gesamtwiderstands einer Reihenschaltung ist stets größer als der größte Einzelwiderstand.

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  • Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier in Reihe geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(R_{12}=R_1 + R_2\)
  •  Der Gesamtwiderstands einer Reihenschaltung ist stets größer als der größte Einzelwiderstand.

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Elektrische Arbeit und Leistung

Grundwissen

  • Die elektrische Arbeit berechnest du mittels \(W_{\rm{el}}=U\cdot I\cdot t\)
  • Typische Einheiten sind \(1\,\rm{J}\) (Joule) oder \(1\,\rm{kWh}\) (Kilowattstunde)
  • Für die elektrische Leistung gilt \(P_{\rm{el}}=U\cdot I = I^2\cdot R\)

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  • Die elektrische Arbeit berechnest du mittels \(W_{\rm{el}}=U\cdot I\cdot t\)
  • Typische Einheiten sind \(1\,\rm{J}\) (Joule) oder \(1\,\rm{kWh}\) (Kilowattstunde)
  • Für die elektrische Leistung gilt \(P_{\rm{el}}=U\cdot I = I^2\cdot R\)

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