2012/13ETG1v8.ppt1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung Verständnis der grundlegenden...

2012/13 ETG1v8.ppt 1

Lehrveranstaltungen

Ziel der Lehrveranstaltung

Verständnis der grundlegendenGesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre

Anwendung dieser Gesetze

bei ausgewähltenAufgabenstellungen

Ziel der Lehrveranstaltung

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LehrveranstaltungenLehrveranstaltungen

Elektrotechnische GrundlagenWS 12/13

Vorlesung (2)

Haiml

Übungen (1)

ITS: Haiml, LindmoserITSB: Haiml, Benedikter

Laboratorium(2)

ITS: Haiml, LindmoserITSB: Haiml, Benedikter

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Schriftliche Unterlagen

Grundlagender Elektrotechnik

WS 12/13

Grundlagender Elektrotechnik

WS 12/13

Vorlesung

Folienliegen am Moodle-Server

Elearning.fh-salzburg.ac.at

Vorlesung

Folienliegen am Moodle-Server

Elearning.fh-salzburg.ac.at

Übungen

liegen am Moodle-Server

(2-er Block)

Übungen

liegen am Moodle-Server

(2-er Block)

Laboratorium

Anleitungen liegen am Moodle-Server

(4-er Block)

Laboratorium

Anleitungen liegen am Moodle-Server

(4-er Block)

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Literaturempfehlung

Lehrbücher: Dieter Zastrow, Elektrotechnik, Vieweg-Verlag

Deimel, Hasenzagl, Krikava,… Grundlagen der Elektrotechnik 1 und 2, Oldenburg

Gert Hagmann, Grundlagen der Elektrotechnik,Aula-Verlag

Taschenbuch: H.Lindner, Tb. der Elektrotechnik und Elektronik, Carl Hanser / Fachbuchverlag Leipzig

Übungsaufgaben: Lindner, Elektro Aufgaben 1 + 2

Simulation: Robert Heinemann, PSPICE, Hansermit Diskette : Student-Version

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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*tLoser / Bad Aussee

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Solar-thermischeKraftwerke

Sonnenstrahlung (E=h*f ) Enthält viel Wärmeenergie

Q = qs *A**cos()*tSolarkonstante qs= 1,37kW/m² (klarer Himmel)

*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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Aufwind-Kraftwerke

Windturbine im Kamin

treibt Elektrogenerator

E= U*I*t

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Windkraftwerke

E = 1/2 m.v²E = 1/2 ²

E= U*I*t

Parndorf

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Speicherkraftwerke

E=m*g*h E = U*I*t

• Moserboden – Wasserfallboden• Enzingerboden

1Liter Wasser fließt 360m hinab: 1kg* 9,81m/s²*360m=3530Nm = 3530Ws = ca. 1Wh

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Kalorische Kraftwerke

E= m*H

E= U*I*t

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Stromerzeugung =Energieumwandlung

Brennstoffzellen oxidieren den Wasserstoff2H2+O2=2H2O

(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)

8-4-4-6/hond-claritytion2.jpg

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Überall dort, wo Kraftfelder wirken, 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 um sich herum (Zentralpotential)

E = Q1/r2 * 1 / (40) …… el. Feldstärke

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) …… el. Kraft

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

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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)

Üblich 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 = ʃ i(t) dt,= 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 mit dem Querschnitt.

Dies hat Auswirkungen auf die Erwärmung des Leiters

Leiterquerschnitte:

Draht = kreisrund A = r2 = d2

Rechteckprofil A = b.h

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

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Stromdichte

Ladungsmenge = Ladungsdichte N * Ladung qe* Volumen V

Q = N.qe.V = N.qe.A.v.t

Strom = Ladungsmenge pro Zeitintervall: I = Q/t = N.e.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 Lqadungen sind in diesem Volumen?

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Beispiel

Wie groß ist die Ladungsträgerdichte im Kupferdraht?

Ein Volumen von V= 1cm³ Kupfer (Cu) wiegt m= 8,92 g (= spez. Masse).

In 1mol Cu, das sind m= 63,5g (Atommasse), befinden sich NA = 6,022*1023 Atome.

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

1 cm3 Cu enthält den Bruchteil 8,92 g / cm³ dividiert durch 63,5 g / mol = 0,140 mol / cm³.

1cm³ Cu enthält daher n = 0,140 mol/cm³ * NA = 0,140 mol/cm³ * 6,022.1023 Atome/moln = 0,846*1023 Leitungselektronen /cm³.

In 1 cm³ Kupfer stehen für die elektrische Leitung zirka 0,8*1023 Leitungselektronen zur Verfügung.

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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 : derzeit noch auf meiner Homepage, bis dann der Moodle-Server beschickt ist.

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!

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