26.04.23 ETG1v11.ppt 1

Lehrveranstaltungen

Ziel der Lehrveranstaltung

Verständnis der grundlegendenGesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre

Anwendung dieser Gesetze

bei ausgewähltenAufgabenstellungen

Ziel der Lehrveranstaltung

26.04.23 ETG1v11.ppt 2

LehrveranstaltungenLehrveranstaltungenElektrotechnische

GrundlagenWS 14/15

Vorlesung (2)ITS: Haiml, ITSB:Haiml

Übungen (1)ITS: Haiml,

ITSB: Benedikter

Laboratorium(2)ITS: Haiml, Lindmoser

ITSB: Benedikter

26.04.23 ETG1v11.ppt 3

Schriftliche Unterlagen

Grundlagender Elektrotechnik

WS 15/16

VorlesungFolien

liegen am Moodle-ServerElearn.fh-salzburg.ac.at

Übungen Integriert in die

Vorlesung

LaboratoriumAnleitungen

liegen am Moodle-Server(4-er Block)

26.04.23 ETG1v11.ppt 4

Prüfungen

VorlesungEine

schriftliche Klausurarbeit In der letzten (14.) Einheit

über den gesamten Semesterstoff

oderZwei Teilklausuren (7. und 14. Einheit)

Dabei werden die Punkte addiert.

Positiv ab 50% der erreichbaren P.

Eine aktive Mitarbeit bei den integrierten Übungen

kann die Note verbessern.

Laboratorium

Beurteilt wird die Mitarbeit zu 30%

Die Vorbereitung auf die Übung

zu 20%

und die schriftliche Ausarbeitung

der Arbeiten. 50%

26.04.23 ETG1v11.ppt 5

Literaturempfehlung

Deimel, Hasenzagl,…Grundlagen der Elektrotechnik 1 , Veritas Sehr gutes, allgemein verständliches Lehrbuch ohne höhere Mathematik. ( mit CD )

Übungsaufgaben: Lindner, Elektro Aufgaben 1 + 2 !!, Hanser ,Mit Lösungen, sehr empfehlenswert zum Üben.

Taschenbuch: H.Lindner, Tb. der Elektrotechnik und Elektronik, Hanser, wesentlich besser als eine Formelsammlung, da die einzelnen Kapitel den Stoff

thematisch und schwierigkeitsmäßig gut abdecken.

Simulation von Schaltungen: Robert Heinemann, PSPICE mit CD (limitierte student vers.), HanserZastrow, Elektrotechnik, Vieweg-Verlag ( FH-Bibliothek)

26.04.23 ETG1v11.ppt 6

Energieumwandlung

Inhaltsübersicht heute Energie Energie-Umwandlung Elektrische Ladung Elektrischer Strom

Wikipedia meint:Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Physik, der sich ingenieurwissenschaftlich mit der Forschung und der technischen Entwicklung sowie der Produktionstechnik von Geräten oder Verfahren befasst, die zumindest anteilig auf elektrischer Energie beruhen.

26.04.23 ETG1v11.ppt 7

Energie EnergieHeute definiert man Energie als Messgröße, die auf verschiedene Weise in Erscheinung treten kann, deren Zahlenwert aber immer gleich bleibt. Es gibt unterschiedliche Energieformen, die nicht erzeugt oder vernichtet, aber ineinander umgewandelt werden können. Es wird u. a. zwischen potenzieller oder Lageenergie, kinetischer oder Bewegungsenergie, mechanischer, elektrischer, magnetischer, chemischer, Strahlungs-, Kern- oder Ruhe-Energie unterschieden.

„Die ungleiche Verteilung der Energie ist die Grundlage des Universums“

Die Einheit der Energie ist das Joule (J): 1 J = 1 N·m (Newtonmeter) = 1 W·s (Wattsekunde). In der Halbleiterphysik benutzen wir auch die Einheit Elektronenvolt: 1 eV = 1,602 18·10 –19 J.

Anfang des 20. Jahrhunderts kam man zur Erkenntnis, dass Atome die Energie nicht stetig in Form von Lichtstrahlung aufnehmen oder abgeben können, sondern nur ganz bestimmte („diskrete“) Energiebeträge. Dies führte zum Begriff des Energiequantums.  Das Äquivalenzprinzip der Relativitätstheorie besagt schließlich, dass Masse und Energie gemäß der Einstein-Formel E = m·c2 äquivalent sind. Auf dieser Formel basiert z. B. die Gewinnung von Kernenergie.

EnergieerzeugungDie Umwandlung einer Energieform in eine andere beruht auf dem physikalischen Satz von der Erhaltung der Energie. Er besagt, dass Energie bzw. Masse nicht verloren gehen kann, sondern nur in eine andere Energieform umgewandelt wird. Darauf beruhen z. B. Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie.

26.04.23 ETG1v11.ppt 8

Stromerzeugung = Energieumwandlung

Speicherkraftwerke(Energie der Höhenlage)

Epot=m*g*h m = Wassermasse

g = Erdbeschleunigungh= Höhendifferenz

(elektrische Energie)

Eel = U*I*tU = SpannungI = Stromt= Zeit

• Moserboden – Wasserfallboden• Enzingerboden 1 Liter Wasser fließt 360m hinab:

1 kg* 9,81m/s²*360m=3530 Nm = 3530Ws = ca. 1Wh

26.04.23 ETG1v11.ppt 9

Stromerzeugung = Energieumwandlung

Solarkraftwerke

E=h*f E= U*I*t

Werfenweng – Reiterbauer

Loser / Bad Aussee, EnergieAG

26.04.23 ETG1v11.ppt 10

Stromerzeugung = Energieumwandlung

Solar-thermischeKraftwerke

Sonnenstrahlung besteht aus einer großen Anzahl n von Energiequanten Eph=h*f .

Diese werden gebündelt und erwärmen einen Strahlungs-Absorber. Wärmemenge Q (=Quantum)

Diese Wärmeenergie Q wird dann in einem kalorischen Kraftwerk in elektrischen Strom umgewandelt. Wirkungsgrad

*Q = Eel= U*I*t

"Sonnenofen" von Odeillo in den französischen Pyrenäen

"Kramer Junction" / Kalifornische Wüste, Leistung der Anlage 30 MW

26.04.23 ETG1v11.ppt 11

Stromerzeugung = Energieumwandlung

Aufwind-Kraftwerke

Windturbine im Kamintreibt Elektrogenerator

Eel= U*I*t

26.04.23 ETG1v11.ppt 12

Stromerzeugung = Energieumwandlung

Windkraftwerke BewegungsenergieE = 1/2 m.v² (Wind)

m=Luftmasse

v= Windgeschwindigkeit

E = 1/2 ² (Rotation)= Massenträgheitsmoment = Winkelgeschwindigkeit

Eel= U*I*t (el. Strom)

Parndorf

26.04.23 ETG1v11.ppt 13

Stromerzeugung = Energieumwandlung

Kalorische Kraftwerke

E= m*H E= U*I*tm…Masse, H…Heizwert Steinkohle: 30 MJ/kg

1kg Steinkohle enthält E= m*H = 1kg *30MWs/kg = 8,333 kWh

26.04.23 ETG1v11.ppt 14

Stromerzeugung =Energieumwandlung

Brennstoffzellen oxidieren Wasserstoff

2H2+O2=2H2O„kalte Verbrennung“ setzt 68,3*4,19 kJ pro mol H2O liq frei

oder Methan CH4CH4 +2O2 = CO2+H2O

E= U*I*tBrennstoffzellen für den PKW (Honda)

26.04.23 ETG1v11.ppt 15

Stromerzeugung = Energieumwandlung

Überall dort, wo Kraftfelder wirksam werden, ist Energie gespeichert.

Potenzielle mech. Energie W = (Masse*Gravitationsfeld) [W] = 1 N*m

Elektrische Energie W = (Ladung*elektrisches Feld) [W]= 1 Ws

Thermische Energie Q = (Bewegungsenergie der Atome) [Q] = 1 Joule

Energieformen können ineinander umgewandelt werden

Wärme elektrische mechanische Energie Energie Energie

1Joule (1J) = 1 Wattsekunde (1Ws) = 1NewtonMeter (1Nm)

26.04.23 ETG1v11.ppt 16

Elektrische Ladung als Grundelement

Elektrische Ladung kommt quantisiert vor. qe =1,602*10-19C, me=9.11*10-31kg

Es gibt positive und negative Elementarladungen, gleichnamige Elementarladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.

Die el. Ladung ist immer an Materie gekoppelt.Elektronen, Protonen, Positronen,…

Diese Kopplung von Ladung und Materie hält unsere Welt am „Laufen“

26.04.23 ETG1v11.ppt 17

El. Ladung als Grundelement

Einheit der Ladung:[Q]=1 Coulomb = 1C

Zusammenhang mit den SI-Basiseinheiten: 1 C = 1 As

1 Coulomb enthält daher:

Q = ne*qe Gesamtladung= ne mal die Elementarladung

ne=1C / 1.602*10-19C

ne=6.24*1018 Ladungen (Committee on Data for Science and Technology (CODATA) 6,241 509 65 (16) × 1018Ldg. / Sekunde.

26.04.23 ETG1v11.ppt 18

Elektr. Ladung als Grundelement Eine Ladung erzeugt ein elektrisches Feld E im Raum rundherum

(Zentralpotential)

E = Q1/r2 * 1/(40) …… el. Feldstärke(Vektor!) , Ladung Q (Skalar)

0 = 8.854*10-12As/Vm ...….. el. Feldkonstante, Permittivität

Eine zweite Ladung spürt dieses Feld. Sie wird längs der Feldlinien angezogen: oder abgestoßen:

F= Q2*E = Q2*Q1 / r2 *1/(40) ……elektrische Kraft zw. Q1 und Q2 = Ladung x Feldstärke (Kraft ~ 1/r² )

Epot=∫ F*dr = -Q1*Q2/r * 1/(40 ) ….. Potenzielle Energie = Kraft*Weg

Die potenzielle Energie einer Ladung im anziehenden Feld einer anderen Ladung ist negativ. Die Ladungen können nur durch Arbeitsaufwand wieder getrennt werden. Erst im unendlich weit weg wird die Kraft bzw. Arbeit für einen weiteren Meter Verschiebung gleich Null (1/r) . Ladungen mit positiver potenzieller Energie sind freie Ladungen, negative potenzieller. Energie bedeutet Bindung an die andere Ladung. Bei der Gravitation, die denselben Zentral-Gesetzen folgt, sind die Verhältnisse ähnlich.

26.04.23 ETG1v11.ppt 19

Elektr. Ladung als Grundelement

Wird am einen Ende eines Drahtes eine negative Ladung angebracht und am anderen Ende eine positive Ladung, so entsteht ein elektrisches Feld längs des Drahtes. Die Elektronen erfahren im Draht eine Kraftwirkung und folgen den Feldlinien bis zum anderen Ende.

Die Feldrichtung zeigt von (+) zu (-),In diese Richtung würden sich auch positive Ladungen bewegen. Negative Elektronen fließen jedoch gegen die Feldrichtung!

Das Feld kann man nicht sehen!Nur seine Wirkung auf die Ladungsträger zeigt an, dass es vorhanden ist.

http://www.sn.schule.de/~ms16l/virtuelle_schule/3de/Kapitel_03_Strom/leiter_mit_strom.gif

26.04.23 ETG1v11.ppt 20

Elektrischer Strom

Bewegte elektrische Ladung ist „Strom“ Der elektrische Strom hat die SI-Basiseinheit 1Ampere

I = Q/t bei Gleichstrom [I] = 1Ai = dQ/dt Momentanwert

Das Ampere ist gleich der Stärke des elektrischen Stroms, der durch zwei geradlinige, dünne, unendlich lange Leiter, die in einem Abstand von 1m parallel zueinander im Vakuum angeordnet sind, unveränderlich fließend bewirken würde, dass diese beiden Leiter aufeinander eine Kraft von 2*10-7 Newton je Meter Länge ausüben. (ISO)

Übliche Erweiterungen durch Vorsilben sind: kA, A, mA, µA, nA,pA

26.04.23 ETG1v11.ppt 21

Ladungsänderung bedeutet Strom

Zur Ladung Q, die am Anfang vorhanden ist, fließen Ladungen zu. Die Ladungsmenge wird größer.Die Geschwindigkeit ist Q pro Zeitabschnitt t .elektrischer Strom I=Q/t

Umgekehrt: gegeben sei ein Strom I. dieser liefert in der Zeit t (oder t) die Ladungsmenge Q= I*t

26.04.23 ETG1v11.ppt 22

Ladungsänderung bedeutet Strom

Verschiedene Stromarten: 1) Gleichstrom, 2) schwankender Strom, 3) pulsierender Strom, 4) Wechselstrom.

Die strömende Ladungsmenge (Quantum Q) ist allgemein Q = ∑k Iktkbzw. Q = ∫ i(t) dt, [Q]= 1 A*s

mathematisch gesehen: die Fläche unter der Stromkurve.

+0-

26.04.23 ETG1v11.ppt 23

Strom-Messung mit dem „Amperemeter“

• Bei der Strommessung muss der zu messende Ladungsträger-Strom durch das Messgerät fließen. Anm. *)

• Bei sehr großen Strömen führt man nur einen Teilstrom durch das Messgerät, der größte Teil fließt über einen parallelen Zweig.

• Einige (nicht alle) Messgeräte werden nach der Einheit der elektrischen Messgröße benannt: Voltmeter, Amperemeter, Ohmmeter, Wattmeter, Luxmeter,….

*) der elektrische Strom kann auch indirekt über das mit ihm verknüpfte Magnetfeld gemessen werden.

26.04.23 ETG1v11.ppt 24

Stromdichte

Stromdichte = Strom / Querschnittsfläche S=I/A [S]=1Ampere/m²

Bei gegebenem Strom ändert sich die Fließgeschwindigkeit der Elektronen umgekehrt zum durchflossenen Querschnitt.

Kleinerer Querschnitt bedeutet dichter fließende Elektronen und damit höhere „Reibung“ (Erwärmung)

Leiterquerschnitte:

Draht = kreisrund A = r2 = d2

Rechteckprofil A = b.h

Hohlprofil rechteckig A = (ba.ha)- (bi.hi)

26.04.23 ETG1v11.ppt 25

Beispiel:

In einem mol Kupfer befinden sich NA = 6,022*1023 Atome. (Avogadrozahl)

Die Masse von 1 mol Kupfer ist so groß wie die Atommasse von Cu in Gramm. 6,022*1023 Kupferatome wiegen also 63,5 Gramm.

Andererseits besitzt 1cm³ Kupfer die Masse m = 8,92 g (= spez. Masse, Massendichte).

1 cm³ Kupfer enthält somit nur einen Bruchteil der Atome eines mols: 8,92(g/cm³) / 63,5(g/mol) = 0,140 mol/cm³

Das ergibt die Teilchen-Dichte n = 0,140 mol/cm³ * 6,022.1023 Atome/mol = 0,846*1023 Atome/cm³.

Da jedes Kupfer-Atom im Mittel ein Leitungselektron zur Verfügung stellt, ist dies zugleich auch die Zahl der Elektronen pro cm³.

Wie groß ist die Ladungsträgerdichte im Kupfer?

In einem cm³ Kupfer stehen für die elektrische Leitung zirka 0,8*1023 Elektronen zur Verfügung. (Ladungsträgerdichte n = / M*NA)

26.04.23 ETG1v11.ppt 26

Einige Begriffe:

Volumenstrom: Zylindervolumen: V Querschnittsfläche: A Länge des Zylinders: s = v.tVolumenselement: V = A.s = A.v.tVolumenstrom: V/t = A.v

Ladungsdichte:Ladung: Elementarladung x Anzahl Q = qe.N Anzahl der Elementarladungen pro Volumen:

Ladungsdichte: Q/V = qe.N/V = qe.n

Teilchendichte: (vorige Folie)Anzahl der Teilchen pro Volumen =Teilchendichte n = N/V = /M.NA

Ladungsstrom=elektrischer Strom:Ladung pro Zeit = Strom I= Q/t

I= qe.n.V/t = qe.n.A.v

26.04.23 ETG1v11.ppt 27

Beispiel: Geschwindigkeit der Leitungselektronen Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Leitungs-Elektronen bei I= 8 Ampere in einem Kupferdraht mit A=1,5 mm² Querschnitt?

qe 1.60210 19 A s

NA 6.0231023 mol 1

8.9g

cm3

M 63.5gmol

v 0.394mms

vI

n qe Abzw.. v

Sn qe

Geschwindigkeit v:

==> auflösen nach vS n qe v

Stromdichte = Ladungsträgerdichte * Geschwindigkeit

________________________________________________________________

SIA

A 1.50mm2I 8A

Strom Querschnittsfläche Stromdichte

________________________________________________________________

n 0.8441023cm 3nMNA

LadungsträgerdichteAnzahl der Leitungselektronen im Kubikzentimeter ( = Atomanzahl bei Cu)

_________________________________________________________________

26.04.23 ETG1v11.ppt 28

Wo liegen diese Folien ?Am FH-Server : Am Moodle-Server der FH

Anrechnungsanträge bitte mit Unterlagen bitte beim zuständigen Fachbereichsleiter eingeben.

Generell wird die HTL-Reifeprüfung der Elektrotechnik oder Elektronikfür Grundlagen, Übungen und Labor angerechnet.

Andere äquivalente Vorbildungsformen werden derzeit nur bei Vorlage eines entsprechenden Dokuments (Uni-Prüfungszeugnis,…) bzw. nach einer schriftlichen Überprüfung angerechnet !

Ich wünsche Ihnen einen guten, ambitionierten Studienbeginn!