Kapitel 7
Elektrotechnik Grundlagen
Verfasser:
Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn
055 - 654 12 87
Ausgabe:
September 2009
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN
Inhaltsverzeichnis
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 7.1Grundlagen
7.1.1 Der elektrische Stromkreis 7.1.2 Ohmsches Gesetz
7.1.3 Elektrische Ladung
7.1.4 Energieträger, Energieumwandlung und Energieverteilung 7.1.5 Wirkungen des elektrischen Stromkreises
7.1.6 Spannungserzeuger 7.1.7 Stromdichte
7.1.8 Spannungs- und Stromformen
7.2Elektrischer Widerstand7.2.1 Widerstand eines Leiters 7.2.2 Leitwert und Leitfähigkeit
7.2.3 Serieschaltung von Widerständen 7.2.4 Parallelschaltung von Widerständen 7.2.5 Die gemischte Schaltung
7.2.6 Widerstand von Spulen 7.2.7 Widerstand im Phasenprüfer
7.3Einfluss auf den elektrischen Widerstand7.3.1 Temperatureinfluss auf den elektrischen Widerstand
7.3.2 Nachweis zum positiven und negativen Temperaturkoeffizienten 7.3.3 Grafische Darstellung der wichtigsten Widerstände
7.3.4 Leiter, Halbleiter und Nichtleiter
7.4Spezielle Widerstandsschaltungen7.4.1 Unbelasteter Spannungsteiler 7.4.2 Belasteter Spannungsteiler
7.4.3 Messbereichserweiterung beim Voltmeter 7.4.4 Messbereichserweiterung beim Amperemeter 7.4.5 Brückenschaltung
7.4.6 Dreieckstern- und Sterndreieckumwandlung 7.4.7 Würfelwiderstand
7.5Kirchhoffsche Regeln
7.5.1 Das Erste kirchhoffsche Gesetz 7.5.2 Das Zweite kirchhoffsche Gesetz
7.6Elektrische Leistung bei Gleichstrom7.6.1 Berechnung der elektrischen Leistung 7.6.2 Messvarianten der elektrischen Leistung
7.6.3 Messaufbau, Versuche zur Bestimmung der elektrischen Leistung
7.6.4 Fragen zu den zwei Versuchen
7.6.5 Berechnung der Temperatur des Wolframwendels
7.6.6 Kombination Leistungsberechnung und ohmisches Gesetz 7.6.7 Berechnung der Leistung nach Spannungsänderung 7.6.8 Leistungsmessung im Vergleich
7.7Die elektrische Arbeit
7.7.1 Die Berechnung der elektrischen Arbeit 7.7.2 Die Energiekostenberechnung
7.8Spannungsabfall und Leitungsverluste bei Gleichstrom
7.8.1 Der Spannungsabfall
7.8.2 Netzübliche Spannungsabfälle 7.8.3 Die Leitungsverluste
7.9Wirkungsgrad
BiVo
Probleme umfassend bearbeiten Verstehen und anwenden Erinnern
TD Technische Dokumentation
BET Bearbeitungstechnik 2.1 Werkstoffe
2.1.2 Elektrische Eigenschaften - Leitfähigkeit
- Durchschlagsfestigkeit - Magnetische Eigenschaften - Dielektrische Eigenschaften
TG Technologische Grundlagen 3.2 Elektrotechnik
3.2.1 Elektrotechnisches System
- Teilsystem technischer Energiewandlungs- systeme
- Struktur und Aufbau, Energiefluss - Beispiele, Aufgaben und Zusammenwirken
von Erzeugern, Steuer- und Übertragungsein- richtungen und Verbrauchern
- Betriebsarten: Netzverbund und Inselbetrieb (Beispiele)
- Elektrischer Stromkreis als Funktionseinheit
3.2.1 Wesen der Elektrizität
- Eigenschaften der elektrischen Energie (Energieform)
- Kräfte und Bewegung der elektrischen La- dungs- oder Kraftträger: Elektronen und Ionen - Bedeutung und Eigenschaften der elektri-
schen Stoffe: Leiter, Halbleiter und Nichtleiter
3.2.1 Elektrische Vorgänge
- Elektrischer Stromkreis als geschlossener Wirkungskreis elekrtischer und magnetischer Kräfte
3.2.3 Fundamentale Systemgrössen / Ohmsches Gesetz
- Energie, Leistung, Wirkungsgrad, Widerstand - Elektrische Ladung
- Elektrische Spannung und ihre Messung - Elektrischer Strom und seine Messung - Elektrische Stromdichte
- Nenngrössen und Nennwerte von Systemtei- len
- Zusammenhang Energie, Leistung, Span- nung, Strom und Widerstand
3.2.3 Elementarer elektrotechnischer Stromkreis - Aufbau und Funktion
- Steuernde Betriebseinrichtungen: Schalter, Steuerschaltungen,
- Stromrichter
- Spannungs- und Stromformen 3.2.4 Berechnungsaufgaben 3.2.7
- Energie, Leistung, Wirkungsgrad - Stromdichte
- Widerstandsgrössen: Widerstand, Leitwert, geometrische Masse, Materialwerte
3.2.4 Umrechnen von Grössenordnungen - Spannungen und Ströme
3.2.6 Widerstand
- Widerstand als Energiewandler (Verbraucher) - Widerstand als Schaltelement
- Widerstand und seine Messung - Widerstandsdefinition
- Widerstandsgrössen und ihr Zusammenhang (z.B. Temperaturabhängigkeit)
3.2.7 Elektrische Vorgänge
- Widerstand: Wärmeerzeuger (Verbraucher), el. Leitungen
3.2.7 Versuch und Simulation - Lampenschaltung - Schützschaltung, usw.
EST Elektrische Systemtechnik
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
1 DER ELEKTRISCHE STROMKREIS
7 Elektrotechnik Grundlagen
7.1 Grundlagen
7.1.1 Der elektrische Stromkreis
7.1.1.1 Gruppenarbeit „Aufbau und Ausmessen des elektrischen Stromkreises“
Skizze des Messaufbaus
Alle Elemente des Stromkreises müssen bezeichnet werden.
Tabelle der Messwerte
Spannung Strom Leistung
[V] [A] [W]
Technische Angaben des Verbrauchers
Spannung Strom Leistung
[V] [A] [W]
Eigene Überlegungen
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
1 DER ELEKTRISCHE STROMKREIS
7.1.1.2 Schematische Darstellung des Stromkreises
Beispiele
Kraftquelle
Leitungen
Verbraucher
Trennstelle
7.1.1.3 Wasserkreislauf im Vergleich mit elektrischem Kreis
W a sserbeck en (Speicher) Kra ftquelle
(Pumpe)
Leitungen (Rohre)
V erbra ucher (W a sserra d)
Bildliche Darstellung des Wasserkreislaufs
Beschreibung:
Mit der Wasserpumpe wird das Wasser angesaugt und in die Wasserleitung gepumpt.
(Wasserdruck)
Der Wasserstrom fliesst durch die Wasserleitung, wenn der
Wasserschalter geöffnet ist.
Bei offenem Schalter fliesst das Wasser über den Verbraucher.
(Speicher) Kraftquelle
(Batterie)
Leitungen (Drähte) Verbraucher
(Lampe)
Bildliche Darstellung des
elektrischen Stromkreises Beschreibung:
Die Batterie erzeugt einen Elektronenüberschuss (Elektronendruck).
Der Elektronenstrom fliesst durch die Stromleitung, wenn der
Stromschalter geöffnet ist.
Bei offenem Schalter fliesst der
elektrische Strom über den Ver-
braucher.
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
1 DER ELEKTRISCHE STROMKREIS
7.1.1.4 Technische Grössen im Stromkreis
Wasserstromkreis Elektrischer Stromkreis 1 Pumpe, Kraftqulle 1 Batterie, Kraftquelle
2 Rohre, Leitungen 2 Leiter, Kabel, Leitungen
3 Hahn, Schalter 3 Schalter
4 Wasserrad, Radiator 4 Lampe, Motor, Heizung
Verbraucher Verbraucher
5 Wasseruhr 5 Ampèremeter
6 Druckmesser Leitungsanfang 6 Elektronendruckmesser
Voltmeter Leitungsanfang
7 Druckmesser Leitungsende 7 Voltmeter Leitungsende
7.1.2 Ohmsches Gesetz
7.1.2.1 Grössen im elektrischen Stromkreis
Bezeichnung Formelzeichen Einheit
Spannung U Ursache [[[[V]]]] Volt Strom I Intensität [[[[A]]]] Ampere Widerstand R Resistance [[[[Ω Ω Ω]]]] Ω Ohm
Versuch 1
Es soll das Verhalten des Stromes bei veränderter Spannung und gleich blei- bendem Widerstand (
1000Ω) unter- sucht werden.
U [ V ] I [ A ]
0 2,5
5 7,5
10 12,5
15 17,5
20
0
Versuch 2
An einer konstanten Spannung (
10V) soll der Widerstand verändert wer- den. Für die verschiedenen Wider- standswerte ist der Strom zu messen.
R [Ω ] I [ A ]
100 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
0
Berechnungen
I R U = ⋅
R I = U R = U
U
Spannung[ V ]
I
Strom[ A ]
R
Widerstand[Ω ]
R I U .
Georg Simon Ohm (16.3.1789 – 6.8.1854) stellte die Proportion zwischen Spannung und Strom im Frühjahr 1826
auf.
André-Marie Ampère
22.1.1775 - 10.6.1836 Französischer Physiker. Erkannte die Wirkung des magnetischen Feldes auf auf stromdurchflossene Leiter. Ampère war auch Mathematiker und konnte aus physikalische Versuchen allgemeingültige
Gesetze ableiten und sie als Formel efassen
Graf Alessandro Volta 18.2.1745 - 5.3.1827 Italienischer Physiker. Enteckte, dass zwischen zwei verschiedenen Metallen,
die in einer stromleitenden Flüssigkeit sind, eine
elektrische Spannung entsteht (Batterie).
Merke
Das ohmische Gesetz gilt nicht nur für den gesamten Stromkreis, sondern auch
für jeden einzelnen Teil, wie: Leitung, Verbraucher, Quelle und Schalter.
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
2 OHMSCHES GESETZ
7.1.2.2 Zweite Definition des elektrischen Stromes
Schnittebene +
+
+ + +
+
Atomreste
(Jonen) -
- - -
- - - -
- wandernde Elektronen
Cu-Leiter
André-Marie Ampère (1775 - 1836)
Wandernde Elektronen bedeutet Stromflus und
Stromfluss bedeutet Ladungstransport
Daraus ergibt sich, dass eine gewisse Anzahl Elektronen, die pro Zeiteinheit durch ein Flächenelement wandern, als der in diesem Leiter herrschende Strom bezeichnet werden kann.
Definition des elektrischen Stromes
Werden in der Zeit von einer Sekunde soviele Elektronen durch ein Flächenelement wandern, dass ihre totale Ladung ein
Coulomb (1 Cb = 1 As) ergibt, so fliesst ein Strom von einem Ampere.
t Q Zeit
Ladung
I = =
Ass =[ ]
AAufgabe
Bestimmen Sie die Anzahl Elektronen, die innerhalb einer Sekunde ein Flächen- element passieren, damit eine elektrische Ladung von 1As transportiert wird, und der Strom von einem Ampere fliesst!
7.1.2.3 Elektronengeschwindigkeit und Stromimpulsgeschwindigkeit Elektron
Energiestoss
Beobachtung
Die Impulsgeschwindigkeit ist unvergleichlich grösser als die Bewegungsgeschwindigkeit der Kugeln.
Elektronengeschwindigkeit im Draht ca. 1mm/s
Stromimpulsgeschwindigkeit ist ca. 80% der Lichtgeschwindigkeit,
(300´000 km/s) dies entspricht etwa 270'000 km/s.
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
2 OHMSCHES GESETZ
7.1.2.4 Die elektrische Spannung
(Speicher)
Kra ftquelle (Ba tterie, Genera tor,
Sola rzelle, Thermoelement) Leitungen
(Drä hte) Verbra ucher
(La m pe)
M inus-Pol (Elek tronen- Überschuss)
Plus-Pol (Elek tronen-
M a ngel) -- -
- - - - - -
- - - - - - - -
- - - - - -
- -
- - Innere Energie
[[[[W]]]]
-
Freie Elek tronen
Spa nnung
[[[[U]]]]
- - Strom
[[[[I]]]] Elek tronenstrom
- +
Unter dem Einfluss der elektrischen Spannung [ U ] werden die
elektrischen Ladungen bzw. die Elektronen bewegt.
Merke
Ist der Elektronendruck (Energie) so gross, dass in 1s ca.
6,24 Trillionen Elektronen ( Q =1As) das Flächenelement passieren, so herrscht an diesem Kreis eine Spannung von einem Volt.
Ladung Energie Spannung =
Q
U = W
VAsAs=[ ]
V
dabei ist Q = ⋅ = I t [ ] As
7.1.2.5 Der elektrische Widerstand
Widerstand R (Verbraucher) Gleichspannungs-
quelle (Batterie) +
-
I
Stromfluss Spannung
U0 Spannung
UR
R A
B
Fliessen in einem metallischen Leiter die Elektronen, so stossen sie bei ihrer Wanderung mit den Atomen zusammen, wodurch die Atome um ihre Ruhelage zu schwingen begin- nen.
Bei dieser Bewegung entsteht Reibung.
Diese Reibungsenergie wird im Leiter in Wärme umgesetzt.
Merke
Zwischen den Punkten A und B herrscht ein Widerstand von einem Ohm, wenn bei einer Spannung von einem Volt ein Strom von einem Ampere fliesst.
Strom Spannung and
Widerst =
I
R = U
VA=[ ]
ΩSupraleitung
Beim absoluten Nullpunkt (-273,15 °C = 0 K) erstarren
diese Schwingungen. Es ist kein elektrischer Widerstand mehr vorhanden. Diesen Zustand nennt man Supraleitend.
Supraleiter sind Werkstoffe, die bei der sogenannten Sprung - temperatur ein plötzliches Absinken des elektrischen Widerstandes zeigen.
Bei speziellen Legierungen ist die Supraleitung bei höheren Temperaturen möglich (Rekordhalter, -135°C).
Drahtwiderstände
Dickschicht- widerstände
Kohleschicht- widerstände
Metallschicht-
widerstände
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
7.1.3 Elektrische Ladung
Die elektrische Ladung (auch Elektrizitätsmenge) ist diejenige fundamentale physikalische Größe, welche (als Spezialfall des allgemeineren Ladungsbegriffs der Physik) für die elektro- magnetische Wechselwirkung (eine der vier Grundkräfte der Physik) verantwortlich ist.
Elektrische Ladung ist eine Eigenschaft von Elementarteilchen, sie kann sich in einem abge- schlossenen System in der Summe nicht ändern (Ladungserhaltung). Ein Coulomb entspricht
1018
25 ,
6 ⋅
Elementarladungen. Eine Elementarladung ist
1,602⋅10−19As.
t I Q = ⋅
Q
Ladung [ As ] [C ]
IStrom [ A ]
tZeit [ s ]
C Coulomb [ As ]
QQuantum
Der elektrische Strom
Die blauen Kreise stellen Elektronen dar, die durch die Querschnittsfläche des Leiters
fließen. Ein Ampere entspricht einem Coulomb (~6,242·1018 Elementarladungen),
das in einer Sekunde durch den Leiterquer- schnitt fließt.
7.1.3.1 Eigenschaften der elektrischen Ladung
- Positiv oder negativ geladene Teile (+ Kation / - Anion) - Elementarladung Elektron bzw. Proton ist 1,602⋅⋅⋅⋅10
-19As
- Unterschiedlich geladene Körper erzeugen elektrische Felder - Bewegte Ladung bedeutet elektrischen Strom
- Bewegte elektrische Ladung führt zu magnetischen Feldern - Zwischen elektrischen Ladungen wirkt die Coulombkraft - Zwei gleiche Ladungen stossen sich ab
- Zwei ungleiche Ladungen ziehen sich an
- Die transportierte Ladungsmenge wird mit dem Ampère-Meter bestimmt
- Ruhende elektrische Ladung ist „Elektrostatik+
- Bewegte elektrische Ladung ist „Magnetismus“
- Zwischen magnetischen Polen entsteht Kraftwirkung
- Gleichnamige magnetische Pole stossen sich ab
- Ungleichnamige magnetische Pole ziehen sich an
- Zwischen magnetischen Feldern wirkt die Lorenzkraft
7.1.3.2 Ladung und Kräfte am Atom
Die Atomhülle besteht aus , Elektronen die auf verschiedenen Bahnen
1)den Atomkern umkreisen. Die Elektronen besitzen eine negative Ladung. Diese negative Ladung ist die elektrische Elementarladung und
beträgt 1,602x10
-19Coulomb (1Cb = 1 Amperesekunde).
1)
Orbitalen
Der Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen.
Das Proton hat die gleiche Ladung wie das Elektron jedoch elektrisch positiv.
Die Elektronen sind die Ladungsträger im elektrischen Stromkreis
7.1.3.3 Nachweis der elektrischen Ladung
PVC Plex igla s
-- - -- -- + + + +
Anziehung
+ + +
+ +
1 .
Gleiche Ladungen stossen sich ab.
Plexiglas Plexiglas
- + + + +
+ + + + Abstossung
+ + +
+ +
+ + +
+ +
2 .
Durch Reibung entsteht elektrische Ladung
Ungleiche Ladungen
ziehen sich an.
- - -+ +
3 .
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
4 ENERGIETRÄGER, ENERGIEUMWANDLUNG UND ENERGIEVERTEILUNG
7.1.4 Energieträger, Energieumwandlung und Energieverteilung 7.1.4.1 Energieträger
Die Primärgrössen werden auch Energieträger genannt. Die Einsicht, dass die Energie zu ihrem Transport immer eines Trägers bedarf, steht dabei im Zent- rum. Das Produkt aus Trägerstromstärke und Energiebeladungsmass ergibt immer die mittransportierte Energie.
Elektrische Energie
Die Elektrische Energie [kWh] lässt sich leicht in andere Energieformen umwan- deln und ist wohl die Schlüsselenergie der Erde. Wenn die Speicherung der elektrischen Energie gelösst ist, so sit dies der entgültige Durchbruch der Welte- nergie.
t P
W = ⋅ W = U ⋅ I ⋅ t W = U ⋅ Q
Mechanische Energie
Die bewegung einer Masse unter einer Kraftwirkung wird als Arbeit bezeichnet.
Wir betrachten die mechanische Arbeit in der Horizontalen und in der Vertikalen.
Diese mechanischen Energien werden kinetische Energie und potentielle Ener- gie genannt.
s F
W = ⋅ W = m ⋅ g ⋅ h
2 V
2W m ⋅
=
Thermische Energie
Die ungeordnete Bewegung der Atome und Moleküle besitzen Energie. Diese Bewegungsenergie ist die thermische Energie oder auch Wärmeenergie ge- nannt. Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto grösser ist seine ther- mische Energie.
ϑ
∆
⋅
⋅
= m c W
Strahlungsenergie
Energie die durch elektromagnetische Strahlung wie: Wärmestrahlung oder Lichtstrahlung transportiert wird. So gelangt fast alle Energie, welche wir auf der Erde nutzen, von der Sonne zu uns.
Die Sonne: Hauptquelle aller Energie auf der Erde
Hochspannungsleitungen für den Transport elektrischer Energie
Blick in eine Holzfeuerung mit Vorschub-Treppenrost
Dampfturbinen-Turbosatz
Solar-Kraftwerk
Kernkraftwerk Montage von
Pelton-Turbinen
Windkraftanlage
A u fb au e in es D am p fk ra ft w er ks
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
4 ENERGIETRÄGER, ENERGIEUMWANDLUNG UND ENERGIEVERTEILUNG
7.1.4.2 Energieumwandlungsprozess und Speicherbarkeit
Die nachfolgende Liste soll mit den heute vorkommenden Energieträgern er- gänzt werden dabei ist die Kriterienliste zu bearbeiten. Normalerweise muss die elektrische Energie produziert werden, wenn sie direkt verwendet wird. Es ist heute aber auch der Fall, dass elektrische Überschussenergie in Stauseen zwi- schengespeichert wird.
Eine Zwischenspeicherung ist aus ökologischen Betrachtungen normalerweise nur bei Inselanlagen (Alphütten, Booten) sinnvoll.
Mit zwischen-gespeicherter Energie wird aus wirtschatlichen Gründen meist nur Spitzenenergie produziert.
Wandelbarkeit Speicherbarkeit Übertrag- barkeit
Rohstoffe für die Produktion elektri- scher Energie
Wärme Mechanisch Magnetisch Elektrisch Chemisch Licht Wasserstoff Stausee Warmwasser Batterien Erdwärme Gastank Leitungen Strasse Erneuerbare Energie
Öl
1 2 3 4 X1) XErdgas
1 2 3 4 X1) XKohle
1 2 3 4 X1) XUran
1 2 3 4 X1) XBiomasse
2 3 4 5 1 X X X XWasserkraft
1 2 3 X X X XWindkraft
1 2 3 X X XGezeiten
1 2 3 X X XSolarenergie
1 X X XFotozellen
3 2 1 X X2) X XGeothermisch
1 2 3 X X XWasserstoff
2 1 X X1)
nicht sinnvoll
2)nur bei Inselanlagen sinnvoll
3)Rückführung der Erdwärme
(X)teilweise
7.1.4.3 Wandelbarkeit der Energie
Der Hauptvorteil der Elektrizität ist die Tatsache, dass sie in jede andere Energieart umgeformt werden kann und umgekehrt.
Die Energieformen sind einzutragen aus welche elektrische Energie erzeugt werden kann sowie die Energieformen, welche aus elektrischer Energie erzeugt werden kann. Es ist mindestens ein Anwen- dungsbeispiel aufzuschreiben.
Ordnen Sie die Bilder den entsprechenden Umwandlungen ( , , .., oder , , .. , ) zu.
Mechanische Energie (Generator)
Licht (Fotoelement, Solarzelle)
Wärme (Thermoelement)
Chemische Energie (Galvanische Elemente, Batterie)
Schall (Mikrofon)
E le kt ri zi tä t
(Anwendungsbeispiele)
Mechanische Energie
(Motor) Licht
(Lampe)
Wärme
(Heizofen, Kochherd)
Chemische Energie
(Elektrolyse, Galvanisieren) Schall
(Lautsprecher)
Der Hauptvorteil der Elektrizität ist die Tatsache, dass sie in jede andere Energieart umgeformt werden kann und umgekehrt.
Bild 860.03.01
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4 ENERGIETRÄGER, ENERGIEUMWANDLUNG UND ENERGIEVERTEILUNG
7.1.4.4 Zuordnung von Umwandlungen der Energie
Ordnen Sie die Energieumwandlung der hauptsächlichen Endenergie den Bildern mit der richtigen Zahlen zu.
1 Elektrische Energie 2 Mechanische Energie 3 Wärmeenergie
4 Strahlungsenergie (Licht)
5 Chemische Energie
6 Magnetische Energie
7.1.4.5 Energieverteilung
Vom Kraftwerk bis zum Verbraucher gelangt der Strom über ein weit verzweigtes Netz aus Höchst-, Hoch-, Mittel- und Niederspannungsleitungen. Diese Systeme sind so aufeinander abgestimmt, dass Transportverluste minimiert werden.
Der Transport von Strom ist mit Verlusten verbunden. Bei der Energieübertragung von der Produktion bis zum Endverbraucher gehen auf 100 km 2% der anfänglichen Energie verloren.
Internationales Warnsymbol vor ge- fährlicher elektrischer Spannung
1
Niederspannung
230V
400V 2
Mittelspannung
1kV - 50kV
3
Hochspannung
110 kV
4
Höchstspannung
220kV
380kV
Energieeffizient ist es, wenn die Kraftwerke daher zentral bei den Verbrauchszentren stehen. Strom- transporte aus dezentralen Produktionsstätten oder Stromimporte aus weit entfernten Gebieten im Ausland sind nicht ideal und belasten die Umwelt zusätzlich.
Bei dezentraler Energieproduktion, also der Umsetzung der Energiewende, ist es unabdingbar, dass
dezentrale Speicher die Energie aufnehmen und bei Bedarf sofort wieder abgeben. Der Produzent
muss auch eine Spechergrösse im Rahmen se ner Pr dukt n zur Verfügung stellen.
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4 ENERGIETRÄGER, ENERGIEUMWANDLUNG UND ENERGIEVERTEILUNG
7.1.4.6 Netzformen
Bei den Hoch- und Niederspannungsnetzen unterscheidet man:
Strahlennetz Ringnetz Maschennetz
Strahlennetze nach haben 1 Speisepunkt. Die Verbraucher speist man über Stichleitungen direkt aus der Transformatorenstation oder ei- ner Verteilkabine. Das Strahlennetz ist das einfachste Netz. Die Belastung der Leitungen ist begrenzt, weil gegen deren Ende der
Spannungsabfall zunimmt. Fällt die Speisestel- le aus, so fehlt auch die Versorgung des Ab- nehmers. Je nachdem, ob die grossen Ver- braucher am Anfang oder am Ende der Lei- tung liegen, sind auch Spannungsschwankun- gen möglich.
Ringnetze zeichnen sich durch eine hohe Versorgungssicherheit und kleine Spannungsabfälle auch bei ungünstig gelegenen Verbrauchern aus. Sie sind durch ihren ringförmigen Leitungszug gekennzeichnet.
Im Normalbetrieb werden Ringnetze
meist in der Mitte geöffnet und als
Strahlennetz betrieben. im Störungs-
fall wird die Trennstelle geschlossen,
und die Versorgung der Abnehmer ist
gewährleistet. Ringnetze sind teurer
als Strahlennetze, weil der Aufwand
für die Schaltanlagen grösser ist.
Maschennetze ergeben sich, wenn die ein- zelnen Leitungen zu einem Netz verbunden sind. Oft wird ein solches Netz durch mehre- re Einspeispunkte beliefert. Die Versor- gungssicherheit sowie die Spannungshal- tung sind im Maschennetz sehr gut, die Netzverluste sind gering.
Solche Netzbauformen verwendet man im Hochspannungsnetz durchwegs und auch im Niederspannungsnetz, vor allem in dicht bebauten Gebieten, findet das Maschennetz Anwendung. Wegen der Vermaschung ist allerdings ein grosser Aufwand an Schaltgeräten und Schutzeinrichtungen notwendig.
Die Kurzschlussleistungen solcher Netze sind relativ hoch, da jede Einspeise- stelle ihren Anteil an den Kurzschlussstrom liefert. Dies kann schliesslich zu Problemen bei der Schaltleistung der Schalter führen.
Bei vermaschten Netzen müs- sen die Spannungen der ver- schiedenen Einspeisepunkte genau überwacht werden. Es bestehen die gleichen Probleme wie bei parallelgeschalteten Bat- terien, bei Spannungsdiffe-
renzen entstehen Ausgleichs- ströme. Diejenige Speisestelle mit der kleinsten Spannung wird zum «Verbraucher» und trägt nichts mehr zur Speisung bei.
Im vermaschten Niederspannungsnetz werden deshalb im Normalfall die Netz-
teile nicht miteinander verbunden.
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
7.1.5 Wirkungen des elektrischen Stromkreises 7.1.5.1 Versuchsaufbau
Beobachtung des Versuches und stichwortartige Angabe der Erscheinungen.
Zink- Platte
Kohle- Platte
A
Strom-Messgerät (Amperemeter)
- +
Elektrolyt (Salzlösung)
+
- A
Batterie (Kraftquelle, Elektronenpumpe)
Eisenkern Drahtspule
Wärmewirkung
Längenänderung des Drahtes Lichtwirkung
Drahtbruch
Magnetische Wirkung Mechanische Bewegung Kraftwirkung
Chemische Wirkung Farbänderung Elektrolyt Metallüberzug Platten
Merke
Das Wandern der Elektronen oder das Fliessen eines elektrischen Stromes kann man nicht sehen, nicht hören, nicht riechen und nicht anfassen.
Nur an den Wirkungen, die der Strom hervorruft, ist der
Strom erkennbar.
7.1.5.2 Wärmewirkung des elektrischen Stromes
Beobachtung Erklärung Anwendungen
Der Draht wird erwärmt (Draht glüht noch nicht)
Die Elektronen-
bewegung führt zu ei- ner Erwärmung des Drahtes.
Boiler, Heizungen, Bü- geleisen, Lötkolben, Tauchsieder, Back- und Grillgeräte, Heizlüfter, Haartrockner, Wäsche- trockner, Kopierer
Direktheizung
Raclett-Ofen
Eier-Kocher
Friteuse
Dynamischger Elektrospeicherofen mit
Magnesitsteinen Speicher-Heizung
Heizdecke
Föhn
Blitz-Kochplatte Heizung
Keramik-Kochfeld
Q
2Q
1Q
VW
1Q
2Q
1Q
VW
1 21
Q
Q Q
V= −
Warmwassererwärmer Die Wärme oder Wärme- energie ist eine spezielle Energieform, gegeben aus der molekularen Bewe- gung der Grundbausteine der Materie, den Atomen und Molekülen. Ihrem Wesen nach ist sie ein statisches Mittel aus po- tentieller (Höhenunter- schied) und kinetischer (Bewegung) Energie die- ser Molekularbewegungen.
Daraus ist einzusehen, dass die Einheit dieser Wärmegrösse die Einheit einer Arbeit sein muss.
Lötkolben zylindrische Heizpatrone selbstregelndes Heizelement (Kaltleiter, kurz PTC)
Back- und Grillgeräten gewenddelter Heizleiter Folienschweißgeräten Heizband
Heizlüfter, Wäschetrockner, Heißluftpistolen und Haartrockner gespannte Heizwendeln oder Heizregisters oder metallisch gekap- selte Heizwiderstände.
Xerox-Kopierer und Laserdrucker Heizstäbe, Halogenglühlampe oder Dickschicht-Heizwiderstände
Thermodrucker in Faxgeräten oder Registrierkassen steuerbare kleine Widerstandselementen
Elektrische Öfen Heizstäbe aus Siliziumcarbid Bedampfungsanlagen Wolfram-Blech
Drahtwiderstände für hohe Ströme.
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
5 WIRKUNGEN DES ELEKTRISCHEN STROMES 2 WÄRMEWIRKUNG DES ELEKTRISCHEN STROMES
Beobachtung Erklärung Anwendungen
Der Draht beginnt sich durchzubiegen
Die Elektronen-
bewegung führt zu ei- ner Erwärmung. Durch die Wärme gibt es eine Längen-änderung des Materiales und damit zur Durchbiegung.
Bimetalle in Motor- schutzschaltern zur Stromüberwachung und Auslösung, Ther- mostaten
Thermostat bei Wassererwärmer
Schalter für Wärmeplatten EGO
Bimetallauslöser Leitungsschutzschalter
Sicherheitsthermostat in Blitzkochplatte
(Roter Punkt)
Bimetallauslöser im Motorschutzschalter
Zeigerthermometer mit Bimetall
Raumthermostat Bimetall
Beobachtung Erklärung Anwendungen Der Draht glüht. Die Erwärmung ist so
stark, dass das Material auf die Glühtemperatur gebracht wird.
Glühlampe, Haarfön, Heizstrahler
Glühlampe Mit Wolframwendel
Haarfön
Raclette
Moderner Heizstrahler
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
5 WIRKUNGEN DES ELEKTRISCHEN STROMES
Beobachtung Erklärung Anwendungen
Der Draht schmilzt Die Erwärmung ist so, dass der Draht auf die Schmelztemperatur ge- bracht wird
Schmelzsicherung
Schemasymbol
Schmelzsicherung (D=DIAZED)
NH-Sicherung mit Schmelzauslöser
Innenansicht
Größe Bemessungsstrom Gewinde
D I 2 A, 4 A, 6 A, 10 A, 16 A E* 16
D II 6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A E 27
D III 35 A, 40A, 50 A, 63 A E 33
D IV
1)80 A, 100 A E 44
D V
1)125 A, 160 A, 200 A E 57
*E steht für Edison Gewinde
1)nicht mehr zu verwenden
NH-Sicherung DIN-Norm
SEV-Norm NH-Sicherung
100 A
7.1.5.3 Magnetwirkung des elektrischen Stromes
Beobachtung Erklärung Anwendungen
Der Eisenkern wird in die Drahtspule gezogen
Der Strom durch die Spule verursacht ein verstärktes Magnetfeld.
Beim Transport elektri- scher Ladung treten immer magnetische Felder auf.
Schützen, Relais
Motoren, Analoge Mess- instrumente,
Elektrische Klingeln, Elektromagneten, Tele- fonhörer, Lautsprecher, Türöffner
Motoren Schützen
Analog
Messinstrument Klingel
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
5 WIRKUNGEN DES ELEKTRISCHEN STROMES
7.1.5.4 Chemische Wirkung des elektrischen Stromes
Beobachtung Erklärung Anwendungen
Blasenbildung an einer der Platten
Der elektrische Strom zerlegt leitende Flüssig- keiten. Es bildet sich Wasserstoff an der po- sitiven Platte.
Elektrolyse Galvanisieren Batterien
Akkumulatoren
Batterien und Akkumulatoren
7.1.5.5 Lichtwirkung des elektrischen Stromes
Die Lichtwirkung des elektrischen Stromes muss in zwei Prinzipien unterteilt werden:
1. Leuchten von Gasen
2. Leuchten durch glühenden Draht Leuchten von Gasen
Die Leuchtstoflampe ist eine NiederdruckGasentla- dungslampe, spezielle Metalldampflampe, die innen mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff beschichtet ist.
Die FL besitzt heisse Kathoden, die Elektronen durch Glühemission emittieren (aussenden).
Als Gasfüllung dient meisst Argon und etwas Queck- silberdampf zur Emmission von Ultraviolett. Die Ultra- violettstrahlung wird von der Leuchtstoffbeschichtung in sichtbares Licht umgewandelt.
Qucksilber- Atom Leuchtstoff
Elektrode
UV- Strahlung
Glimmlampe
Die beiden Elektroden haben einen so geringen Ab- stand d, dass bei U
≈100 V die Feldstärke U/d aus- reicht, um eine spontane Stoßionisation hervorzuru- fen, die nach einem Lawineneffekt das enthaltene Gasgemisch zumindest teilweise in das notwendige Plasma verwandelt. Bei Leuchtstofflampen ist d zu groß, weshalb mit einem Starter kurzzeitig eine höhe- re Zündspannung erzeugt werden muss.
Bei handelsüblichen mit Neon gefüllten Glaskolben, Eisenelektroden und einem Gasdruck von 1 mbar ergibt sich eine Zündspannung von etwa 100 V (Punkt A). Die konkrete Spannung hängt unter anderem vom Gasdruck, dem Elektrodenmaterial und der Art der Gasfüllung ab. Das Zünden wird durch Zusatz von 0,5
% Argon erleichtert.
CS
CK
Qucksilber- Atom Leuchtstoff
Elektrode
UV- Strahlung Sichtbares Licht Vorschaltgerät
Drossel- Spule
Starter
CS
CK Kompensations- Kondensator
Störschutz- Kondensator
L N
Leuchten durch glühenden Draht
Bei genügend hohen Stromstärken im Metalldraht entsteht neben der Wärmewirkung auch eine Lichtwir- kung.
Glühlampe
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
5 WIRKUNGEN DES ELEKTRISCHEN STROMES
7.1.5.6 Physiologische Wirkungen des elektrischen Stromes Im menschlichen Körper werden die
Muskelreizungen durch einen elektro- chemischen Prozess ausgelöst. Bei einem genügend starken Strom treten Muskelverkrampfungen auf.
Beim Berühren blanker elektrischer Leitungen kann durch den Körper ein gefährlicher Strom fliessen.
Viehhüter
Neben der schädlichen Wirkung hat der Strom bei entsprechender Dosierung in der Medizin auch eine heilende Wirkung. Dabei wird mit geringen Stromstärken von einigen µA gearbeitet.
Physiologische Auswirkungen bei Wechselstrom von 16
23bis 60 Hz
0,5-1 mA Wahrnehmbarkeitsschwelle 3-5 mA Elektrisieren
Ameisenlaufen an den Stromdurchflossenen Körperteilen.
Mit den Händen umfasste elektrische Leiter können noch losgelassen werden.
15-40 mA Loslassgrenze und Krampfschwelle
Mit den Händen umfasste Leiter können nicht mehr losge- lassen werden. Blutdrucksteigerungen und Atemverkramp- fungen können, je nach Konstitution nach 3-4Minuten zum Erstickungstod führen.
50 mA Gefahrenschwelle
Bei Stromfluss über das Herz entsteht bei einer Einwir- kungszeit >0,5s das gefürchtete Herzkammerflimmern oder sogar Herzstillstand
80 mA Todesschwelle
Das tödliche Herzkammerflimmern lässt sich nur vermeiden,
wenn der Fehlerstromkreis innerhalb <0,3s ausgeschaltet
wird. Dauert der Stromfluss länger als 1s, so ist eine tödliche
Wirkung wahrscheinlich .
7.1.6 Spannungserzeuger 7.1.6.1 Einleitung
Unter Spannungserzeugung versteht man, mit anderen ENERGIE Elektronen freizubekommen und zu sammeln (auftrennen).
(Speicher) Kraftquelle (Batterie) Leitungen
(Drähte) Verbraucher
(Lampe)
Minus-Pol (Elektronen-
Überschuss) Plus-Pol
(Elektronen- Mangel) - - -
- - - - - -
- - - -
- - - -
- - - - - -
-
- -
-
Innere Energie -
Freie Elektronen
Spannung
Merke
Ausgleichsbestreben der elektrischen Ladung heisst:
Elektrische Spannung [V]
Über einen
GESCHLOSSENEN STROMKREIS werden sich die
LADUNGSTRÄGER wie- der ausgleichen.
Merke
Spannungserzeugung heisst:
Trennen elektrischer Ladung
Spannungserzeugung durch:
Induktion
Chemischen Vorgang Wärme
Licht Druck Reibung
Induktion
Chemischer Vorgang
Wärme
Licht
Druck
Reibung
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
6 SPANNUNGSERZEUGER
7.1.6.2 Spannungserzeugung durch Induktion
Magnetischer Süd-Pol Magnetischer
Nord-Pol
Dauer- Magnetfld Schleif-Ringe
und Kohlenbürsten
Draht- Schleife
Verbraucher (Glühlampe)
Zur Spannungserzeugung durch Induktion ist:
Magnetische Energie (Magnetfeld) und mechanische Energie (Drehbewegung) notwendig.
Anwendungen
Generator (Kraftwerk), Dynamo (Velo), Dynamisches Mikrofon
B Φ A
=
m
2Vs
Generatorregel (Rechte Handregel)
v l B
u
i= ⋅ ⋅ [ ] V
Wichtig:
Die Induktion (B) bzw.
das ändernde
Magnetfeld ( Φ ) in der Spule bewirkt
in der Spule eine Spannung (u
i), also eine Potentaldifferenz.
Die Induktion bewirkt eine Ladungstrennung.
Drehstrom-Generator
Dynamo
7.1.6.3 Spannungserzeugung durch chemischen Vorgang
Kohle- Platte
Zink- Platte
V
Spannungs- Messgerät (Voltmeter)
+ -
Elektrolyt (Salzlösung)
Zur Spannungserzeugung mit chemischem Vorgang ist
chemische Energie notwendig.
Die chemische Energie
bewirkt eine Ladungstrennung.
Anwendungen
Batterien, Akkumulatoren, Galvanische Elemente
Prinzip der Elektrolyse
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
6 SPANNUNGSERZEUGER
7.1.6.4 Spannungserzeugung durch Wärme
Zur Spannungserzeugung durch Wärme ist
Wärmeenergie notwendig.
Anwendungen
Temperaturmessung
Thermoelement in Gehäuse
Spannungserzeugung durch Wärme =>
Thermoelektrizität
An den Kontaktstellen von zwei verschiede- nen Metallen entsteht eine kleine elektrische Gleichspannung und zwar der Pluspol am edleren Material.
Bei der Kombination von Kupfer und Konstan- tan beträgt die Spannung etwa 200mV ...
300mV. Diese Spannungserzeugung dient nur der Messtechnik.
So kann man damit Temperaturfühler und
Temperaturmessgeräte bauen.
7.1.6.5 Spannungserzeugung durch Licht
Vorgang zur Spannungs- erzeugung:
Die Lichtenergie vermag aus dem Halbleitermaterial
Elektronen herauszuschleudern;
infolge der Ladungstrennung fliesst ein elektrischer Strom.
(Prinzip Thermoelement)
Anwendungen
Solarzellen (Photovoltaik), Flammwächter (Ölfeuerung), Lux-Meter (Beleuchtungs-Stärke-Messgerät)
Photozellen
Spannungserzeugung durch Licht mit Solarzellen
Die Solarenergie wird mehr und mehr genutzt und in das Netz eingespeist. Grundlage dazu ist die So- larzelle.
Das ist ein flächiger PN-Übergang (siehe dazu die Arbeitsblätter Halbleitertechnik und Dioden).
Die N-Schicht ist hauchdünn und der Sonne zugewandt. Die Strahlung durchdringt die N-Schicht und
trennt in der PN-Übergangszone die P- und N-Ladungsträger. Die N-Ladungsträger wandern zur N-
Zone und die P-Ladungsträger in die P-Zone. An den Elektroden entsteht eine Spannung von etwa
400mV pro Zelle mit (+) an der Grundplatte und (-) an der Streifenelektrode der Oberfläche.
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
6 SPANNUNGSERZEUGER
7.1.6.6 Spannungserzeugung durch Druck auf Kristalle
Druckenergie (Mechanische Energie)
Werden geeignete Kristalle (Piezo-Kristalle) ge- drückt oder gezogen, so verschieben sich
die Atome
gegenseitig wodurch sich die Platten elektrisch aufladen.
Anwendungen
Kristall-Tonabnehmer, Mikrofon, Zündung Feuerzeug Messdosen für Kraftmessung, Drucksensoren
Tonabnehmer Mikrofon
Piezoelektrische Spannungserzeugung
Wird ein Kristall gebogen oder verdreht und dann entspannt, so entsteht ein große hochohmige Gleichspannung im kV-Bereich.
Die Spannung entsteht durch innere Ladungsverschiebung im Kristall.
Diese Spannung kann sich über Elektroden durch einen Funken entladen =>Piezozündung bei Bren- nern und im Feuerzeug.
Eine weitere Anwendung ist der Kristall-Tonabnehmer bei Plattenspielern. Umgekehrt verformt sich ein
Kristall, wenn man eine Spannung anlegt. Auf diesem Prinzip beruht der piezoelektrische Lautspre-
cher. Am Kristall ist eine leichte Membrane befestigt, die durch die leichten Verbiegungen schwingt.
7.1.6.7 Spannungserzeugung durch Reibung
Wie im Versuch zum Nachweis der elektrischen Ladung gezeigt wurde, entstand durch Reibung an Isolierstof- fen je nach Material ein Elektronen- überschuss oder ein Mangel an Elekt- ronen. Diese Vorgang erforderte
Reibungsenergie
+ + ++ ++ ++
Seidentuch
Elek tronenüberschuss
Gla ssta b
Elek tronenm a ngel
- - -
- -
- - - - - - --
W olltuch
Elek tronenm a ngel
Kunstoffsta b
Elek tronenüberschuss
+ + +
+ +
Nützliche Anwendung Kopiergeräte
Störende Erscheinung Körperaufladung
Flugzeuge statisch geladen Genauer siehe unter elektrischer
Ladung.
Versuch 1:
Klarsichtfolie und Papier
Eine Klarsichtfolie und ein Stück Papier werden aufeinander gelegt.
Dann wird mit einem Wolllappen die Klarsichtfolie stark gerieben.
Danach scheint die Folie an dem Papier zu "kleben", Folie und Papier ziehen sich ziemlich stark an. Auch aus dem Alltag ist diese Eigenschaft von Kunststofffolien bekannt.
Versuch 2:
Ballon
Versuch 3:
Nachweis von elektrischer Ladung
Versuch 4:
Kraft von elektrischer Ladung
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
7 STROMDICHTE
7.1.7 Stromdichte
- - - -
- - - -
- - -
- - - -
- - - -
- -
- - - - -
- - -
- - -
- - -
- -
Stromdichte in A1 kleiner
Stromdichte grösser
Querschnitt A2
kleiner
Querschnitt A3
grösser
- -
Elektronenbewegung in verschiedenen Leiterquerschnitten
Definition der Stromdichte Die Stromstärke je mm
2Querschnitt nennt man Stromdichte.
t Querschnit
e Stromstärk e
Stromdicht =
=
2mm A A s I
Merke
Je grösser der Strom in einem gegebenen Querschnitt, umso grösser wird in ihm die Stromdichte und die Erwärmung.
Die Stromdichte in grösseren Querschnitten muss kleiner sein, wegen der Wärmeabfuhr über die Oberfläche.
Die zulässige Stromdichte in einem Leiter richtet sich nach
dem Querschnitt, dem Werkstoff und nach der Abkühlungsmöglichkeit
bzw. der Umgebungstemperatur.
Berechnung der Stromdichten in genormten Querschnitten
Die zulässige Stromdichte für einige Normquerschnitte im
Überblick (Verlegeart A1):
A
] [mm2
I ] [A
s
mm2
A
1,5 13 2,5 16 4 25 6 32 10 40 16 50 25 63 35 80 50 100 70 125 95 160 150 200
Zulässige Ströme siehe NIN
Frage:
Warum muss die Stromdichte in einem Leiter mit zunehmendem Querschnitt abnehmen?
Antwort:
Der Querschnitt des Leiters nimmt quadratisch mit dem Durchmesser zu und die Manteloberfläche nur linear.
Da die Wärme im strombelasteten
Leiter über die Manteloberfläche
abgeführt werden muss, darf der
Strom im Leiter nicht im Verhaltnis
zum Querschnitt ansteigen sondern
nur mit der Mantelfläche.
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 1 GRUNDLAGEN
8 SPANNUNGS UND STROMFORMEN
7.1.8 Spannungs- und Stromformen 7.1.8.1 Gleichstrom
= Strom oder DC (DC = direct current)
Gleichstrom bedeutet, dass der Ladungstransport der Elektronen stets in derselben Richtung erfolgt.
Dies ist abhängig von der vorgeschalteten Spannungsquelle.
Als Gleichspannungsquellen eignen sich:
Batterie
Generator mit Gleichrichter Solarzellen
Thermoelemente
Verbraucher Gleichspannungs-
quelle (Batterie) +
-
I
Stromfluss
Schliesst man einen Stromkreis an eine Gleichspannung an, so fliesst ein Gleichstrom.
Stromformen von Gleichstrom
t
[
s]
I
[
A]
t
[
s]
I
[
A]
t
[
s]
I
[
A]
Konstanter DC
Wellenförmiger DC
Pulsierender
DC
7.1.8.2 Wechselstrom
~~~~ Strom oder A (AC= alternating Current) Legt man an einen Stromkreis eine Wechsel-
Spannung an, so fliesst ein Wechselstrom.
Die Bewegungsrichtung der Elektronen bzw. der Ladungsträger wechselt in einem
bestimmten Rhythmus. Der Wechselspannungs- generator ist die meistverbreiteste Spannungs- quelle.
Verbra ucher W echselspa nnungs-
Genera tor
G
~
I Stromfluss
Die Wechselspannung bzw. der resultierende Wechselstrom in unserem Versor- gungsnetz ändert 100 mal in der Sekunde seine Richtung und somit wird seine
T uer Periodenda f
Frequenz 1 1
=
=
1s=[ ]
HzAufgabe
Berechnen Sie für unser Netz die
Periodendauer einer Schwingung!
Netzfrequenz
I
− I
t
Bild 6.27.2
2 4 8
0 6 10 12 14 16 18 20 22 24 26 [ms] 30
I
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 2 ELEKTRISCHER WIDERSTAND 1 WIDERSTAND EINES LEITERS
7.2 Elektrischer Widerstand
7.2.1 Widerstand eines Leiters
Versuche durch Überlegung aus der ohm’schen Definition das Widerstandes die Grössen festzuhalten, die den Leiterwiderstand bestimmen können:
- Material - Querschnitt - Länge
- Temperatur
Versuch und Nachweis:
Gleichspannungs- quelle +
-
I
Stromfluss
Leitung Widerstand
Material
A
V
Länge l Querschnitt
A
I
R = U [ ] Ω
4
2
⋅ π
= d
A [ mm
2]
A R ⋅ l
= ρ
[ ] Ω
7.2.1.1 Versuchsaufbau „Kupfer“
Kupfer
Durchmes-
ser Querschnitt Länge Spannung Strom Widerstand
Messung d A l U I R
[mm] [mm
2] [m] [V] [A] [Ω]
1 2 3 4
spez. el.
Widerstand
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 2 ELEKTRISCHER WIDERSTAND 1 WIDERSTAND EINES LEITERS
7.2.1.2 Versuchsaufbau „Eisen“
Eisen
Durchmes-
ser Querschnitt Länge Spannung Strom Widerstand
Messung d A l U I R
[mm] [mm
2] [m] [V] [A] [Ω]
1 2 3 4
spez. el.
Widerstand
7.2.1.3 Versuchsaufbau „Konstantan“
7 ELEKTROTECHNIK GRUNDLAGEN 2 ELEKTRISCHER WIDERSTAND 1 WIDERSTAND EINES LEITERS
Länge 1m Querschnitt
1mm
2Temperatur ϑ=20°C Drahtmaterial
Die Widerstände sind nebst dem Material, noch von der Länge und vom Querschnitt abhängig.
Daraus kann eine Materialkonstante abgeleitet werden. Diese Konstante wird spezifischer elektrischer Widerstand genannt.
Diese Konstante ist ein Vergleichswert für verschiedene Materialien. Der Wert bezieht sich immer auf einen Meter und einen
Querschnitt von 1mm
2bei 20°C
Der Widerstand eines Leiters berechnet sich zu:
A R ⋅ l
= ρ
[ ] Ω
R A ⋅ l
= ρ
[ mm
2]
ρ R l A ⋅
= [ ] m
l R A ⋅ ρ =
Ω m mm2
R
20Widerstand des Leiters bei 20°C [ Ω ] l Länge des Leiters [m]
A
LQuerschnitt des Leiters [mm
2] ρ ρ
ρ ρ 20 spez. el. Wiederstand des Leiters bei 20°C [Ω mm
2/m]
ϑ ϑ
ϑ ϑ Temperatur [°C]
Die spezifischen Werte für verschiedene Materialien sind im Formelbuch
Register 26 abzulegen.
7.2.2 Leitwert und Leitfähigkeit
Leitwert und Widerstand sind miteinander eng verwandt.
Der Widerstand drückt die Schwierigkeit
aus, die ein Leiter dem Ladungstransport entgegensetzt.
Dasselbe mit dem Leitwert ausgedrückt
Der Leitwert drückt die Möglichkeit
aus, die ein Leiter beim Ladungstransport aufweist.
Beispiel
Versuchen wir an einer praktischen Gegebenheit die Diametrie der Begriffe Widerstand und Leitwert zu erklären.
Eingang von Fussballstadion mit mehr oder weniger Menschenansammlung.
Dieselbe Überlegung wie für den Widerstand und den Leitwert, gilt auch für den spezifischen elektrischen Widerstand und die spezifi- sche elektrische Leitfähigkeit.
Merke
für R gross G klein
R klein G gross
d Widers eit spez
Leitfähigk
tan .
= 1
Ω =
= 1
2 2mm Sm mm
m γ ρ
Diese Umkehrung bzw. Reziprokwert algebraisch ausge-
drückt lautet!
(siehe unten)
d tan Widers Leitwert 1
=
=
= S
G R
Ω 1 1
Siemens S =
Werner von Siemens Geboren 13. Dezember 1816 1840 Galvanisches Vergolden 1867 Dynamoelektrisches Prinzip