Elektrizitätslehre Der einfache Stromkreis Copyright by H. Sporenberg.
11.12.2014ETG1v10.ppt1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung Verständnis der grundlegenden...
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11.04.23 ETG1v10.ppt 1
Lehrveranstaltungen
Ziel der Lehrveranstaltung
Verständnis der grundlegendenGesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre
Anwendung dieser Gesetze
bei ausgewähltenAufgabenstellungen
Ziel der Lehrveranstaltung
11.04.23 ETG1v10.ppt 2
LehrveranstaltungenLehrveranstaltungen
Elektrotechnische GrundlagenWS 14/15
Vorlesung (2)
ITS: Haiml, ITSB:Haiml
Übungen (1)
ITS: Haiml, ITSB: Benedikter
Laboratorium(2)
ITS: Haiml, LindmoserITSB: Benedikter
11.04.23 ETG1v10.ppt 3
Schriftliche Unterlagen
Grundlagender Elektrotechnik
WS 14/15
Grundlagender Elektrotechnik
WS 14/15
Vorlesung
Folienliegen am Moodle-ServerElearn.fh-salzburg.ac.at
Vorlesung
Folienliegen am Moodle-ServerElearn.fh-salzburg.ac.at
Übungen
Integriert in die Vorlesung
Übungen
Integriert in die Vorlesung
Laboratorium
Anleitungen liegen am Moodle-Server
(4-er Block)
Laboratorium
Anleitungen liegen am Moodle-Server
(4-er Block)
11.04.23 ETG1v10.ppt 4
Prüfungen
Vorlesung
Eineschriftliche Klausurarbeit
In der letzten (14.) Einheit über den gesamten Semesterstoff
oderZwei Teilklausuren (7 und 14 Einheit)
Dabei werden die Punkte addiert.
Positiv ab 50%
Für die integrierte Übung wird diese Note übernommen
Vorlesung
Eineschriftliche Klausurarbeit
In der letzten (14.) Einheit über den gesamten Semesterstoff
oderZwei Teilklausuren (7 und 14 Einheit)
Dabei werden die Punkte addiert.
Positiv ab 50%
Für die integrierte Übung wird diese Note übernommen
Laboratorium
Beurteilt wird die Mitarbeit zu 30%
Die Vorbereitung auf die Übung
zu 20%
und die schriftliche Ausarbeitung
der Arbeiten. 50%
Laboratorium
Beurteilt wird die Mitarbeit zu 30%
Die Vorbereitung auf die Übung
zu 20%
und die schriftliche Ausarbeitung
der Arbeiten. 50%
11.04.23 ETG1v10a.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 unseren Stoff
thematisch und schwierigkeitsmäßig bestens abdecken.
Simulation von Schaltungen: Robert Heinemann, PSPICE mit CD (student vers.), Hanser
Dieter Zastrow, Elektrotechnik, Vieweg-Verlag ( FH-Bibliothek)
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Energieumwandlung
Inhaltsübersicht heute Energie-Umwandlung Elektrische Ladung Elektrischer Strom
Wikipedia:
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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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 (E=n*h*f ) wird gebündelt und erwärmt die absorbierende Materie,
Diese Wärmeenergie Q wird mit dem Wirkungsgrad mittels eines kalorischen Kraftwerks in elektrischen Strom umgewandelt.
*Q = E= 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 Kamin
treibt Elektrogenerator
E= U*I*t
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Windkraftwerke
Bewegungsenergie
E = 1/2 m.v² (Wind)
E = 1/2 ² (Rotation)= Massenträgheitsmoment = Winkelgeschwindigkeit
E= U*I*t (el.
Strom)Parndorf
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Speicherkraftwerke
E=m*g*h (potenzielle Energie)
E = U*I*t
(potenzielle Energie)
• Moserboden – Wasserfallboden• Enzingerboden
1 Liter Wasser fließt 360m hinab: 1 kg* 9,81m/s²*360m=3530Nm = 3530Ws = ca. 1Wh
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Kalorische Kraftwerke
E= m*H
E= U*I*t
m…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 CH4
CH4 +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 u.A.auch indirekt über das mit ihm vernüpfte H-Feld gemessen werden.
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Stromdichte
Stromdichte = Strom / Querschnittsfläche S=I/A
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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Stromdichte
Ladungsmenge Q = Ladungsdichte n * Volumen V * Ladung qe
Q = n.V.qe = n.A.v.qe.t
Strom I = Ladungsmenge pro Zeitintervall: I = Q/t = n.qe.A.v
Daraus die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen v= I/(n.qe.A)
Wie viele Elektronenladungen fließen pro Sekunde bei einem Strom I durch den Querschnitt A eines Drahtes?
Durchströmendes Volumen: V = Querschnitt A mal Länge s : V = A.s
Länge des Zylinders: s = v.t
Wie viele Ladungen N sind in diesem Volumen?
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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 sind N = 0,140 mol/cm³ * 6,022.1023 Atome/mol = 0,846*1023 Atome/cm³.
Da jedes Cu-Atom im Mittel ein Leitungselektron zur Verfügung stellt, ist dies zugleich auch die Zahl der Elektronen pro cm³.
In einem cm³ Kupfer stehen für die elektrische Leitung zirka 0,8*1023 zur Verfügung. (=Ladungsdichte n )
Wie groß ist die Ladungsträgerdichte im Kupferdraht?
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Beispiel
Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Leitungs-Elektronen bei I= 8 Ampere in einem Kupferdraht mit A=1,5 mm² Querschnitt?
qe 1.6021019 A s
NA 6.0231023 mol
1
8.9g
cm3
M 63.5g
mol
v 0.394mm
sv
I
n qe Abzw.. v
S
n qe
Geschwindigkeit v:
==> auflösen nach vS n qe v
Stromdichte = Ladungsträgerdichte * Geschwindigkeit
________________________________________________________________
SI
AA 1.50mm
2I 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 !
Viel Spaß dann bei der Eröffnungsparty und einen guten Studienbeginn!