Ladung, Strom, Stromdichte, Spannung

Durch den Querschnitt eines Halbleitermaterials bewegen sich pro Sekunde positive Landungsträger und negative Ladungsträger, mit jeweils der Elementarladung.

1. Welche Stromstärke tritt auf?
2. Welche Ladung wird dabei im Leiter innerhalb von transportiert?
3. Welcher Gleichstrom müsste fließen, damit innerhalb von fünf Stunden eine Ladung von transportiert wird?

Die Leiterbahn einer Platine hat eine Breite von und eine Dicke von . An dieser Leiterbahn ist lediglich eine SMD-Diode angeschlossen, durch die ein Strom von fließt. Der Bond-Draht-Durchmesser der Diode beträgt .

1. Um welchen Faktor unterscheidet sich die Stromdichte innerhalb der Leiterbahn von der des Bond-Drahtes?
2. Bei einer 2-adrigen isolierten Kupferleitung mit einer Querschnittsfläche von liegt der maximal zulässige Strom bei 23 A. Bei einem Bond-Draht mit einem Durchmesser von liegt hingegen der maximal zulässige Strom bei rund . Vergleichen Sie die Stromdichte der Kupferleitung mit der des Bond-Drahtes.
   Wie erklären Sie sich den Unterschied?

Der Akku eines Smartphones hat eine angegebene Kapazität von . Unter Testbedingungen wurden folgende Verbrauchswerte ermittelt.

1. Wie viele Tage kann das Smartphone mit dem Akku betrieben werden, wenn es sich im Flugmodus befindet?
2. Wie viele Tage kann das Smartphone mit dem Akku betrieben werden, wenn zusätzlich zu einer LTE-Verbindung eine WLAN- und Bluetooth-Verbindung besteht.
3. Wird mit dem Smartphone ein Telefonat geführt, steigt der Stromfluss im Vergleich zu den zuvor aufgeführten Werten um ein Vielfaches an Der Hersteller gibt eine voraussichtliche Gesprächsdauer von 1260 Minuten an. Welchem durchschnittlichen Stromfluss entspricht dies?
4. In einem Versuch wird für 700 Sekunden der Stromverlauf beim Telefonieren gemessen. Da die Signalstärke nicht konstant ist, schwankt dementsprechend auch der benötigte Strom. Im folgenden Verlauf ist der Strom innerhalb dieses Zeitraums gegeben.
   Wie viel Ladung wird innerhalb der 700 Sekunden dem Akku entnommen?

Wie viel Elektronen (Anzahl ) sind an einem Stromimpuls mit der Dauer und der Stromstärke durch einen metallischen Draht beteiligt?

Ein Elektron hat die Elementarladung: .

Ein Ladungsspeicher wird nach folgender Funktion aufgeladen:

Gesucht ist der Stromverlauf

Gegeben ist ein Draht mit rechteckigem Querschnitt der Länge der Höhe und der Breite . Durch den Draht fließt ein zeitlich konstanter Strom mit der Stromdichte .

1. Wie groß ist der Strom durch den Draht?
2. Wie groß ist die Ladungsmenge die in einer Sekunde durch den Drahtquerschnitt dringt?
3. Wie viel Elektronen (Anzahl ) fließen in einer Sekunde durch den Drahtquerschnitt?

In einem metallischen Leiter fließt ein Gleichstrom .

1. Geben Sie Art und Bewegungsrichtung der Ladungsträger für sowie für an.
2. Wieviele Ladungsträger bewegen sich bei in durch den Querschnitt des Leiters? Beeinflusst die Lage des Querschnittes das Ergebnis?

Elektronendichte in Kupfer:

Ein Kleintransformator soll primärseitig aufnehmen und auf der Sekundärseite 5 A abgeben. Um die Isolation der Wicklung (z. B. Lack, Seide) thermisch nicht zu überlasten, darf eine Stromdichte von nicht überschritten werden.

Berechnen Sie die Mindestdurchmesser der Drähte.

In einem Modellbaufachgeschäft haben Sie sich einen neuen Akku für Ihr Modellflugzeug gekauft, den Sie zunächst einmal aufladen müssen. Im beiliegenden Datenblatt ist allerdings nur der im Folgenden dargestellte Ladungsverlauf gegeben, mit dem der Akku geladen werden soll.

a) Mit welcher Stromstärke wird der Akku zu Beginn des Aufladevorgangs geladen?

b) Aus früheren Messungen haben Sie den vereinfachten Ladungsverlauf während eines Fluges zur Hand. Erstellen Sie zunächst eine sekundäre Y-Achse im vorgegebenen Diagramm und beschriften Sie diese. Zeichnen Sie anschließend den dazugehörigen Stromverlauf ein.

Um den Akku an die restliche Elektronik des Flugzeugs anschließen zu können, benötigen Sie neue Kabel. Zu Hause haben Sie noch ein Kabel übrig, allerdings ist der Wert für die maximal zulässige Stromstärke nicht mehr lesbar und Sie müssen sich mit folgenden Angaben begnügen.

c) Berechnen Sie die notwendige Anzahl an Adern im Leiter für den Grenzfall, dass Sie die maximal zulässige Stromdichte erreichen. Welchen Querschnitt hat das Kabel für diesen Grenzfall?

Das Bild zeigt die durch einen Drahtquerschnitt bis zur laufenden Zeit transportierte Ladung .
Bei ist die Tangente an die Kurve waagerecht.

Geben Sie die Funktionen und allgemein und mit den obigen Werten an, und stellen Sie grafisch dar.

Hinweis: Die Flächen ober- und unterhalb der Zeitachse haben den gleichen Flächeninhalt.

Im Bild ist die Oszilloskopaufnahme eines Stromimpulses dargestellt. Bis zum Zeitpunkt ist dabei bereits die Ladung As transportiert worden.

Berechnen Sie den Ladungsverlauf allgemein und stellen Sie ihn grafisch für dar.