Relais IC

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D) Technische und wissenschaftliche Anwendung des Magnetismus 1) Elektromagneten

a)

b)

c)

d)

e)

f) Das bistabile Umschaltrelais besitzt zwei Elektromagneten mit entgegen gesetzten Wicklungen. Mit den Tastern T ₁ bzw. T ₂ gibt man einen kurzen Stromimpuls auf den jeweiligen Magneten, welcher den Um- schalter dann in seine Richtung zieht. Dort bleibt er dann ohne weiteren Steuerstrom stehen. Das bistabile Relais kann daher als ein Ein-Bit Speicher dienen.

Der Computerpionier Konrad Zuse ver- wendete solche Relais als Speicher und im Rechenwerk. Damit baute er den weltweit ersten vollprogrammierbaren Computer.

Funktion des Relais: Der kleine Steuerstrom magnetisiert den Eisenkern einer Spule. Ein Klappanker bewegt dann die Kontakte. Beim nebenstehenden monostabilen Umschaltre- lais benötigt der rechte Kontakt zum Schlie- ßen einen Dauerschaltstrom, während der

linke Kontakt stromlos geschlossen ist. Steuerstrom Schaltstrom Steuerstrom Schaltstrom

T 1 T ₂

+

I II

Bistabile Umschaltrelais

Zuse Postrelais

Zuse Binäraddie- rer mit Übertrag

Ein Relais ist ein elektromechanischer Schalter, bei wel- chem ein meist kleiner Steuerstrom einen meist großen Arbeitsstrom schaltet. Da anderes als bei Transistorschal- tungen bei „AUS“ kein „Nullstrom“ mehr fließt, sind Re- lais, gerade im mobilen Bereich, auch heute noch unerläss- liche Bauteile. So findet man Elektromechanik und hoch integrierte Schaltung auf der gleichen Platine verlötet.

Relais

IC

Hebemagnete werden in Eisenwer- ken und auf Schrottplätzen verwen- det. Sie brauchen keine Lasthaken und sind wartungsarm. Die Strom-

stärke beträgt bis zu 150A.

Beim Wagnerschen Hammer zieht ein Elektromagnet mit Weicheisenkern den Klingelklöppel zu sich. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen und der Klöppel fällt vom Magneten ab. Dabei schlägt er gegen die Glocke, schließt aber zugleich den Stromkreis, sodass der Elektro- magnet ihn wieder anzieht. Das Spiel beginnt dann wieder von neuem.

Chassis Chas-

sis

Membran Stößel

Die Autohupe besitzt eine Schallmembran mit Stö- ßel, der gleichzeitig als Kern eines Elektromagneten fungiert. Schließt man den Schalter, so wird der Stö- ßel in die Spule gezogen, wodurch jedoch der Strom- kreis unterbrochen wird und der Stößel wieder zu- rück schwingt, sodass der Kontakt wieder geschlos- sen wird und der Vorgang von vorne beginnt.

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g)

h)

2) Motoren a)

b)

Der Gleichstrommotor enthält einen drehbar gelagerte Rotor (Leiterschleife, Spule), welcher durch den Stromdurchfluss zu einem Elektromagneten mit N und S wird. Dieser Elekt- romagnet wird von dem permanenten Hufeisenmagneten an- gezogen und um 90° nach rechts gedreht. Dann wechselt der Kommutator die Stromrichtung, wodurch sich die Kraftrich- tung umdreht und der Rotor mit Schwung um weitere 180°

weiterläuft, usw. Eine entsprechende Erklärung liefert die eingezeichnete Lorentzkraft und die Drei-Finger-Regel.

Beim Wechselstrommotor überlagert sich der Umpolung durch den Kommutator bei der Drehung noch der Polungs- wechsel der Spannungsquelle. Dieser wird dadurch abge- fangen, dass der Permanentmagnet durch einen Elektro- magneten (Stator) ersetzt wird. Da beide Magneten, der Rotor und der Stator beim abgebildeten Reihenschluss in gleicher Weise mit 50 Hz umgepolt werden, spielt der äuße- re Stromrichtungswechsel keine Rolle mehr. Außer dem Reihenschluss wird auch der Parallelschluss verwendet, bei welchem sich die doppelte Umpolung auch aufhebt.

Das Reedrelais hat seinen Namen vom Rohr- blatt der Holzblasinstrumente und ist eines der hochwertigsten Relais überhaupt. Seine Schalt- kontakte werden in einen Glaskolben luftdicht unter Schutzgas eingeschmolzen, wodurch Kor- rosion vermieden wird. Die Kontakte bestehen aus gebogenem, silberbeschichtetem, elasti- schen Weicheisen. Fließt durch die äußere Spu- le der Steuerstrom, so werden die Weicheisen- kontakte magnetisiert, so dass sich ungleichna- mige Magnetpole gegenüberstehen. Diese ziehen sich an und schließen den Kontakt.

Die Silberbeschichtung sorgt für Kontaktsi- cherheit im Arbeitsstromkreis. Nach Stromab- schaltung federn die Kontakte zurück. Weil das Reedrelais wegen der Verkapselung praktisch nicht altert, kann es bei extrem seltenen Vor- gängen, wie z.B. beim Registrieren von Früh-

Membran Glas

Arbeitsstrom unterbrochen

S

N N

S N

S

Arbeitsstrom geschlossen S N

S

N N

S

Magnetisierung der Kontakte

S N S

Tonfrequenz

Weil die Membran des Lautsprechers bis

schwingen muss, montiert man, im Gegensatz zur

Autohupe, nicht den schweren Stößel, sondern die leichte Spule an die Membran. Die Rechte-Hand-Regel der Lorentzkraft zeigt, dass Spule und Membran bei der ab- gebildeten Polung in den Permanentmagneten hinein gezogen werden. Sobald die Spannung des Tonsignals umgepolt ist, wird die Membran wieder heraus gedrückt.

zu 10 000 mal in der Sekunde auf- und ab-

Gleichstrommotor

N S

S N F

B I

Kommutator Rotor

F

B

Wechselstrommotor

+ - + - + - F

N

S F N

I S

S N ..

N S ..

S N .. N S ..

Kommutator

Stator

Rotor

indikatoren vor Vulkanausbrüchen, verwendet werden. Ein normales Relais oder ein Transistor

wäre nach vielleicht zwanzig Jahren Betriebsruhe gerade dann verharzt oder defekt, wenn es

drauf ankommt. Bei höherem Schutzgasdruck schaltet das Reedrelais sogar Hochspannungen.

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c) Unipolarmotor (Barlow Rad)

durch gleichförmiges Drehen der Scheibe eine konstante Gleichspannung. Heute gibt es da- für bessere Möglichkeiten, sodass die Maschine nur noch historische Bedeutung hat.

d) Drehspulinstrument

durch eine Spiralfeder zurückgehalten. Bei geeigneter Anordnung und Formung des Magne- ten ist der Drehwinkel dann proportional zur Stärke des zu messenden Stromes.

Mit geeigneter Schaltung lassen sich auch Spannungen messen, so dass das Instrument zu einem hochpräzisen „Multimeter“ der Elektrotechnik wird.

3) Der Halleffekt

Im Barlowschen Rad fließt der angelegte Strom von der Achse zum Elektrolytbad hinab. Der Bereich wird von der Flussdich- te B eines Hufeisenmagneten durchsetzt, sodass die bewegten Elektronen eine Lorentzkraft nach unten erfahren. Die Elekt- ronen übertragen diese Kraft durch "Reibung" auf das Rad und setzen es so in Bewegung. In der Abb. ist die technische Stromrichtung eingezeichnet, so dass die 3-Finger-Regel der

rechten Hand zu nehmen ist. Im Umkehrbetrieb erzeugt man Elektrolyt

S B N

I F Metall

U

U

v -e

B

B F

F

I d

h

Schematische Darstellung eines Hallplättchen

Plättchen nach unten. Wenn sich Elektronen unten ansammeln, dann fehlen sie oben. Dadurch entsteht oben eine Schicht von (positiven) Löchern, während sich unten eine Schicht von (nega- tiven) Elektronen herausbildet. Diese beiden Ladungsschichten bilden die „Platten“ eines Kon- densators, zwischen denen sich ein elektrisches Feld der Feldstärke E aufbaut. Die Ladungsver- schiebung endet, sobald die elektrische Kraft F _el die Größe der Lorentzkraft F _L erreicht hat.

Dann herrscht Kräftegleichgewicht und das Platteninnere bleicht kräftefrei, so dass die Elektro- nen nach Abschluss der Aufladung geradeaus durch das Plättchen wandern.

Das Drehspulinstrument ein „festgehaltener Gleich- strommotor“. Das Drehspulinstrument ist ein wichti- ges Messinstrument der Elektrotechnik. Im B-Feld eines Permanentmagneten wird eine drehbar gelagerte Spule angeordnet. Bei Stromdurchfluss dreht sich die- se wie im Gleichstrommotor. Die Spule wird jedoch

Ein quaderförmiges Plättchen aus Leiter- oder Halbleiterma- terial wird in der Abb. von rechts nach links (techn. Strom- richtung) von einem Strom I durchflossen. Die frei bewegliche Elektronen wandern dann mit einer Geschwindigkeit v von links nach rechts. Im B-Feld erfahren die Elektronen dann gemäß der Linken-Drei- Finger-Regel eine Lorentzkraft F L nach unten. Beim Barlow Rad nehmen die Elektronen das Rad mit.

Weil die Platte hier aber feststeht, rutschen die Elekt- ronen ohne äußeren Effekt lediglich innerhalb des

S

Zeiger

Skala

N

N S

Rückhaltespiralfeder

Spule

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a) Messung der magnetischen Flussdichte mit der Hallsonde

Der Halleffekt ermöglicht eine fast punktgenaue Messung der Flussdichtenverteilung eines

Oben wurde hergeleitet, dass sich die Ober- und Unterseite des Hallplättchens elektrisch aufla- den, wenn der durchfließende Strom rechtwinklig ein Magnetfeld kreuzt. Die Aufladung endet sobald das Kräftegleichgewicht F _el = F _L gilt. Angewandt auf ein Elektron bedeutet das

e E ⋅ = ⋅ ⋅ e v B . Also erreicht die elektrische Feldstärke E zwischen den „Kondensatorplatten“

den Wert E = ⋅ v B . Die Feldstärke E geht aber mit einer Spannung einher. Hat das Plättchen die

b) Wissenschaftliche Aussage: Hallkonstante R H

Die Elektronengeschwindigkeit v ist proportional zur Stromstärke I. Also gilt B ∼ U _H / I .

Daher lautet die Messformel der Flussdichte mittels Hallsonde B = d R ⋅ _H ⋅ U _H / I

Beispiel: Ein Hallplättchen aus Silber hat die Dicke d = 1 µ m . Bei einer Stromstärke von 2

I = A wird eine Hallspannung von U _H = 28 µ V gemessen. Berechne B.

Ergebnis:

6 10 6

1 10 1,12 10 28 10

0,157 2

H H

d R U m T V m

B I A m

− −

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

= = = ⋅

⋅ ⋅ ⋅ Ω

T V A m

⋅ ⋅

⋅ 0,157

/ T

V A =

⋅ c)

Volumen ∆ V = A v ⋅ ⋅ ∆ t waren. Die Ladungsdichte ρ e ist das Verhältnis von Ladung ∆ Q zu Volumen ∆ V , also ρ _e = ∆ Q / ∆ V . Für die Stromstärke gilt I = ∆ Q / ∆ t . Setzt man ∆ Q = ρ _e ⋅ ∆ V

e A v t ρ

= ⋅ ⋅ ⋅ ∆ ein, so erhält man I = ρ _e ⋅ ⋅ A v bzw. v = I / ρ _e ⋅ A . Dies wird jetzt in U H = ⋅ ⋅ v h B eingesetzt: U _H = ⋅ h B I ⋅ / ρ _e ⋅ A bzw. ρ _e = ⋅ ⋅ h I B / U _H ⋅ A .

Mit Hilfe dieser Gleichung lässt sich bestimmen, wieviel Ladungsträger die jeweiligen Stoffe für die Stromleitung zur Verfügung stellen.

d) Technische Anwendung des Halleffektes in der Energietechnik Magnetfeldes: Senkrecht zu den Feldlinien des zu

untersuchende Magnetfeldes wird ein sog. Hall- plättchen gehalten. Durch dieses Plättchen wird

ein Strom der vorgegebenen Stärke I geleitet. Hallplättchen: 2 mm

Der Proportionalitätfaktor ist (1) von der Dicke d und

(2) von Materialeigenschaften des Plättchens abhängig.

Diese fasst man in der Größe R _H zusammen.

Material

R

in T m / ⋅ Ω Kupfer 1,89 10 ⋅

Silber 1,12 10 ⋅

Indium-Arsenid 1,05 10 ⋅

R

Die Skizze zeigt das Prinzip des MHD- Generators eines Heizkraftwerkes.

Aufgabe:

Ermittele mit Hilfe der Literatur die Funktion dieses hochmodernen Gerätes.

Beschreibe die Funktionsweise und fertige eine Skizze an.

Höhe h, so gilt U = E h ⋅ . Damit gilt U _H = ⋅ ⋅ v h B . Die Spannung wird zu Ehren des Entdeckers Edwin Hall „Hall-Spannung“ genannt. Die Geschwindigkeit v der Ladungsträger lässt sich über die Stromstärke I regeln. Damit liefert die Gleichung U _H = ⋅ ⋅ v h B eine proportionale Beziehung zwischen der zu messenden Flussdichte B und der am Voltmeter ablesbaren Spannung U _H .

Wissenschaftliche Aussage: Ladungsdichte ρ e der freien Ladungsträger Bewegen sich die Ladungsträger mit der Geschwindigkeit v, so durch- queren diejenigen während der Zeit ∆ t die Querschnittfläche A, welche zuvor maximal den Abstand ∆ = ⋅ ∆ x v t von A hatten, die also in dem

I

∆ x V A

∆

v