01.10.2015ETG1v11.ppt1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung Verständnis der grundlegenden...
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26.04.23 ETG1v11.ppt 1
Lehrveranstaltungen
Ziel der Lehrveranstaltung
Verständnis der grundlegendenGesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre
Anwendung dieser Gesetze
bei ausgewähltenAufgabenstellungen
Ziel der Lehrveranstaltung
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LehrveranstaltungenLehrveranstaltungenElektrotechnische
GrundlagenWS 14/15
Vorlesung (2)ITS: Haiml, ITSB:Haiml
Übungen (1)ITS: Haiml,
ITSB: Benedikter
Laboratorium(2)ITS: Haiml, Lindmoser
ITSB: Benedikter
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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)
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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%
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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)
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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.
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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.
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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
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Solarkraftwerke
E=h*f E= U*I*t
Werfenweng – Reiterbauer
Loser / Bad Aussee, EnergieAG
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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
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Aufwind-Kraftwerke
Windturbine im Kamintreibt Elektrogenerator
Eel= U*I*t
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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
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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
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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)
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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)
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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“
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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-
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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.
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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)
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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)
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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
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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)
_________________________________________________________________
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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!