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Skriptum zur Vorlesung Elektrotechnik 1 WS2007/08 - FH-Wels

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<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP<br />

<strong>Skriptum</strong> <strong>zur</strong> <strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

<strong>WS2007</strong>/<strong>08</strong><br />

Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong><br />

W. Rokitansky<br />

E-Mail: w.rokitansky@fh-wels.at<br />

Skripten: http://info.fh-wels.at/skripten/wrokitansky


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

Inhaltsverzeichnis<br />

0 Einleitung ........................................................................................................................... 4<br />

0.1 Organisatorisches ....................................................................................................... 4<br />

0.2 Tipps für das Studium ................................................................................................ 4<br />

0.3 Literaturverzeichnis.................................................................................................... 4<br />

0.4 Geschichte der <strong>Elektrotechnik</strong> ................................................................................... 5<br />

0.5 Beschreibung physikalischer Vorgänge..................................................................... 7<br />

0.6 SI-Einheiten................................................................................................................8<br />

1 Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> ...................................................................................... 9<br />

1.1 Elektrischer Gleichstromkreis.................................................................................... 9<br />

1.2 Schaltzeichen............................................................................................................ 10<br />

1.3 Elektrische Ladung................................................................................................... 11<br />

1.4 Elektrische Spannung und Potential......................................................................... 12<br />

1.4.1 Elektrisches Potenzial ...................................................................................... 12<br />

1.4.2 Arten der Spannungserzeugung ....................................................................... 13<br />

1.4.3 Messung elektrischer Spannung....................................................................... 14<br />

1.5 Elektrischer Strom.................................................................................................... 15<br />

1.5.1 Technische und physikalische Stromrichtung.................................................. 15<br />

1.5.2 Elektrischer Strom in Metallen ........................................................................ 16<br />

1.5.3 Messung der elektrischen Stromstärke............................................................. 16<br />

1.5.4 Wirkung des elektrischen Stroms..................................................................... 17<br />

1.5.5 Stromarten ........................................................................................................ 18<br />

1.5.6 Stromdichte ...................................................................................................... 19<br />

1.6 Elektrischer Widerstand ........................................................................................... 20<br />

1.6.1 Spezifischer Widerstand................................................................................... 20<br />

1.6.2 Ohmsches Gesetz ............................................................................................. 22<br />

1.6.3 Temperaturabhängigkeit des Widerstands ....................................................... 23<br />

1.6.4 Bauformen von Widerständen.......................................................................... 24<br />

1.7 Elektrische Quellen .................................................................................................. 26<br />

1.7.1 Ideale Spannungs- und Stromquellen............................................................... 26<br />

1.7.2 Technische Quellen.......................................................................................... 27<br />

1.7.3 Ersatzschaltungen............................................................................................. 29<br />

1.7.3.1 Spannungsquellenersatzschaltung................................................................ 29<br />

1.7.3.2 Stromquellenersatzschaltung........................................................................ 29<br />

1.8 Leistungsanpassung.................................................................................................. 30<br />

1.9 Elektrische Energie und Arbeit ................................................................................ 31<br />

1.9.1 Gewinnung elektrischer Energie ...................................................................... 31<br />

1.9.2 Elektrische Arbeit............................................................................................. 32<br />

1.9.3 Elektrische Leistung......................................................................................... 32<br />

1.9.4 Wirkungsgrad................................................................................................... 34<br />

2 Grundschaltungen der <strong>Elektrotechnik</strong>.............................................................................. 35<br />

2.1 Reihenschaltung ....................................................................................................... 35<br />

2.1.1 Maschenregel (2. Kirchhoffsches Gesetz) ....................................................... 35<br />

2.1.2 Vorwiderstände ................................................................................................ 36<br />

2.1.3 Messbereichserweiterung von Spannungsmessgeräten.................................... 37<br />

2.1.4 Spannungsabfall an Leitungen ......................................................................... 37<br />

2.2 Parallelschaltung ...................................................................................................... 38<br />

2.2.1 Knotenregel (1. Kirchhoffsches Gesetz) .......................................................... 38<br />

2.3 Anwendungen........................................................................................................... 39<br />

2.3.1 Spannungsteilerregel ........................................................................................ 39<br />

2.3.2 Messbereichserweiterung eines Voltmeters ..................................................... 39<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 2


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

2.3.3 Messbereichserweiterung eines Amperemeters ............................................... 39<br />

2.4 Spannungs- und stromrichtiges Messen................................................................... 40<br />

2.5 Galvanische Elemente .............................................................................................. 41<br />

2.5.1 Primärelemente (Batterien) .............................................................................. 41<br />

2.5.2 Sekundärelemente (Akkumulatoren)................................................................ 42<br />

Abbildungsverzeichnis<br />

Abbildung 1: Einfacher Stromkreis............................................................................................ 9<br />

Abbildung 2: Verschiedene Materialien .................................................................................... 9<br />

Abbildung 3: Salzlösung als Leiter ............................................................................................ 9<br />

Abbildung 4: Stromkreis mit Schalter........................................................................................ 9<br />

Abbildung 5: Schaltzeichen ..................................................................................................... 10<br />

Abbildung 6: Elektrische Ladung und ihre Wirkung............................................................... 11<br />

Abbildung 7: Elektrische Spannung......................................................................................... 12<br />

Abbildung 8: Elektrisches Potenzial ........................................................................................ 12<br />

Abbildung 9: Arten der Spannungserzeugung ......................................................................... 13<br />

Abbildung 10: Messung elektrischer Spannung....................................................................... 14<br />

Abbildung 11: Elektrischer Strom............................................................................................ 15<br />

Abbildung 12: Technische und physikalische Stromrichtung.................................................. 15<br />

Abbildung 13: Elektrischer Strom in Metallen ........................................................................ 16<br />

Abbildung 14: Messung der elektrischen Stromstärke ............................................................ 16<br />

Abbildung 15: Wirkung des elektrischer Stroms ..................................................................... 17<br />

Abbildung 16: Stromarten........................................................................................................ 18<br />

Abbildung 17: Stromdichte ...................................................................................................... 19<br />

Abbildung 18: Elektrischer Widerstand................................................................................... 20<br />

Abbildung 19: Spezifischer Widerstand .................................................................................. 21<br />

Abbildung 20: Ohmsches Gesetz ............................................................................................. 22<br />

Abbildung 21: Temperaturabhängigkeit des Widerstandes ..................................................... 23<br />

Abbildung 22: Bauformen von Widerständen ......................................................................... 24<br />

Abbildung 23: DIN-IEC-Reihen E6, E12 und E24.................................................................. 24<br />

Abbildung 24: Farbcode........................................................................................................... 25<br />

Abbildung 25: Typische Bauformen von Widerständen.......................................................... 25<br />

Abbildung 26: Ideale (1) und reale (2) Spannungsquelle ........................................................ 26<br />

Abbildung 27: Stromquelle ...................................................................................................... 27<br />

Abbildung 28: Nichtlineare Spannungsquelle.......................................................................... 27<br />

Abbildung 29: Lineare Spannungsquelle ................................................................................. 28<br />

Abbildung 30: Gewinnung elektrischer Energie...................................................................... 31<br />

Abbildung 31: Wasserkraftwerk .............................................................................................. 31<br />

Abbildung 32: Elektrizitätszähler............................................................................................. 32<br />

Abbildung 33: Elektrische Leistung......................................................................................... 33<br />

Abbildung 34: Wirkungsgrad................................................................................................... 34<br />

Abbildung 35: Reihenschaltung............................................................................................... 35<br />

Abbildung 36: Maschenregel ................................................................................................... 35<br />

Abbildung 37: Vorwiderstand.................................................................................................. 36<br />

Abbildung 38: Messbereichserweiterung................................................................................. 37<br />

Abbildung 39: Spannungsabfall an Leitungen......................................................................... 37<br />

Abbildung 40: Parallelschaltung .............................................................................................. 38<br />

Abbildung 41: Knotenregel...................................................................................................... 38<br />

Abbildung 42: Spannungs- und stromrichtiges Messen........................................................... 40<br />

Abbildung 43: Galvanische Elemente und elektrochemische Spannungsreihe ....................... 41<br />

Abbildung 44: Primärzellen ..................................................................................................... 41<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 3


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

Abbildung 45: Ladung und Entladung eines Blei- und Li-Ionen-Akkumulators..................... 42<br />

Abbildung 46: Wichtige Kenngrößen für Akkumulatoren ...................................................... 42<br />

0 Einleitung<br />

0.1 Organisatorisches<br />

<strong>Vorlesung</strong>:<br />

In der <strong>Vorlesung</strong> wird der neue Stoff präsentiert, hergeleitet und erklärt. Zusätzlich stehen<br />

Ihnen ein <strong>Skriptum</strong> sowie die Bücher der Bibliothek <strong>zur</strong> Verfügung. Auf einige<br />

empfehlenswerte Bücher wird im Literaturverzeichnis hingewiesen.<br />

Laborübung:<br />

Die Laborübungen sollen Sie dabei unterstützen, den Stoff der <strong>Vorlesung</strong> durch praktischen<br />

Aufbau und Messung zu „begreifen“. Durch gute Vorbereitung verbessern Sie den Nutzen für<br />

sich. In den Laborübungen wird das Vorwissen durch Tests überprüft. Die Labornote setzt<br />

sich aus den Testnoten, den Noten auf die Laborprotokolle und der Mitarbeit während der<br />

Labors zusammen.<br />

0.2 Tipps für das Studium<br />

Immer gleich mitlernen. Sie profitieren mehr von weiteren <strong>Vorlesung</strong>en, Rechenübungen und<br />

Labors, wenn Sie den bisherigen Stoff beherrschen. Außerdem haben Sie am Semesterende<br />

(Prüfungszeit) weniger Stress.<br />

Bei der Vorbereitung auf Klausuren 1-2 Tage früher mit dem Lernen beginnen und auch 1-2<br />

Tage früher aufhören. Viele Probleme bei Prüfungen („mir kommt alles durcheinander“, „ich<br />

weiß alles aber ich hatte ein Black out..“, „..wenn ich jetzt die Prüfung noch einmal machen<br />

könnte wäre ich viel besser“, etc.) sind deutliche Zeichen des falschen Timings.<br />

0.3 Literaturverzeichnis<br />

Die <strong>Vorlesung</strong> ET1 hält sich sehr eng an das folgende Buch. Die meisten Abbildungen sind<br />

ebenfalls daraus entnommen<br />

[1] Fachkunde <strong>Elektrotechnik</strong>, Europa Lehrmittel, 24. Auflage<br />

Eine kompaktere Darstellung finden Sie in:<br />

[2] Herbert Bernstein: <strong>Elektrotechnik</strong>/Elektronik für Maschinenbauer, Vieweg Verlag<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 4


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

Rechenbeispiele finden Sie in:<br />

[3] Rechenbuch <strong>Elektrotechnik</strong>. Europa Verlag<br />

Falls Sie sich das Wissen leichter mit Hilfe von Simulation auf dem PC aneignen empfehle<br />

ich Ihnen:<br />

[4] Robert Heinemann: PSPICE Einführung in die Elektroniksimulation<br />

(mit CD einer eingeschränkten Vollversion)<br />

0.4 Geschichte der <strong>Elektrotechnik</strong><br />

Die nachfolgende Tabelle gibt aus der Entwicklungsgeschichte der <strong>Elektrotechnik</strong> einige<br />

Meilensteine in der Entdeckung elektrotechnischer Phänomene und Gesetze (Auswahl bis<br />

1900).<br />

Jahr Entdecker Thema<br />

600<br />

v.Chr.<br />

70 v.<br />

Chr.<br />

Thales von Milet<br />

(Griechenland)<br />

Beschreibt die Anziehungskräfte zwischen geriebenem<br />

Bernstein (griech. Elektron) und leichten Körperteilchen.<br />

Lucretius Carus (Rom) Berichtet, dass in der Nähe der griechischen Stadt Magnesia,<br />

bestimmte Gesteine Eisennägel anziehen und festhalten.<br />

Baute die erste Elektrisiermaschine und beschrieb auch die<br />

(Magdeburg) abstoßenden Kräfte des elektrischen Feldes.<br />

1663 Otto von Guericke<br />

1752 Benjamin<br />

(Amerika)<br />

Franklin<br />

1785 Charles Augustin<br />

Coulomb (Frankreich)<br />

Erkannte, dass es sich beim Gewitter in der Natur um eine<br />

ähnliche Erscheinung handelt, wie beim Bernstein.<br />

Fand das nach ihm benannte Gesetz über die Kräfte<br />

zwischen den Ladungen.<br />

1790 Luigi Galvani (Italien) Entdeckte das Zucken von Froschschenkeln durch<br />

elektrischen Strom.<br />

1796 Graf Alessandro Volta<br />

(Italien)<br />

1820 Hans Christian Oersted<br />

(Dänemark)<br />

1825 André Marie Ampère<br />

(Frankreich)<br />

1827 Georg Simon Ohm<br />

1831<br />

(Deutschland)<br />

Michael<br />

(England)<br />

Faraday<br />

1833 Carl Friedrich Gauß &<br />

Wilhelm<br />

(Deutschland)<br />

Weber<br />

1841 James Prescott Joule<br />

(England)<br />

1847 Gustav Robert<br />

Kirchhoff (Deutschld.)<br />

Entdeckte den Stromkreis und erfand die Voltasche Säule<br />

(erste Batterie).<br />

Entdeckte den Zusammenhang zwischen Strom und<br />

magnetischen Wirkungen.<br />

Fand den mathematischen Zusammenhang der Kraftwirkung<br />

zweier stromdurchflossener Leiter.<br />

Klärte die Begriffe Spannung, Strom und Widerstand und<br />

fand das nach ihm benannte Gesetz.<br />

Kam zum Begriff des magnetischen Feldes und entdeckte<br />

die elektromagnetische Induktion.<br />

Bauten den ersten magnet-elektrischen Telegraphen.<br />

Fand den zahlenmäßigen Zusammenhang zwischen der<br />

elektrischen Energie und der Wärmeenergie<br />

Erweiterte die von Ohm aufgestellten Beziehungen auf<br />

verzweigte Stromwege (Kirchhoffsche Gesetze)<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 5


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1850/ Plücker, Geißler,<br />

51 Hittdorf (Deutschland)<br />

1861 Philip<br />

(Deutschld.)<br />

Reis<br />

1865 James Clerk Maxwell<br />

(England)<br />

1867 Werner von Siemens<br />

(Deutschland)<br />

1879 Thomas Alva Edison<br />

(USA)<br />

1888 Heinrich<br />

(Deutschland)<br />

Hertz<br />

1895 Konrad<br />

(Deutschland)<br />

Röntgen<br />

1897 Guglielmo<br />

(Italien)<br />

Marconi<br />

1897 Friedrich<br />

(Deutschland)<br />

Braun<br />

Untersuchten die elektrische Entladung in Gasen; bauten die<br />

erste Entladungsröhre.<br />

Erfand das Telefon (verbessert von Graham Bell, USA)<br />

Brachte die gesamten elektromagnetischen Erscheinungen in<br />

klare mathematische Beziehung (Maxwellsche<br />

Gleichungen).<br />

Baute die erste brauchbare selbsterregte Dynamomaschine<br />

und baute den ersten brauchbaren elektrischen Bahnantrieb.<br />

Baute unter anderem die erste brauchbare Kohlefadenlampe.<br />

Gelang der experimentelle Beweis der Raumausbreitung<br />

elektromagnetischer Wellen.<br />

Entdeckte die X-Strahlen oder Röntgen-Strahlen.<br />

Übertrug als erster mit elektrischen Wellen Morsezeichen<br />

über größere Entfernungen.<br />

Baute die erste Kathodenstrahlröhre.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 6


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

0.5 Beschreibung physikalischer Vorgänge<br />

Physikalische Vorgänge können nur beschrieben werden, wenn die Qualität und die Quantität<br />

einer Erscheinung eindeutig beschreibbar ist. Dazu erfordert es genau definierter Begriffe<br />

sowohl für die Größe (welche Erscheinung ist damit gemeint) als auch für die Einheit, in der<br />

die jeweilige Größe gemessen wird.<br />

Eine physikalische Größe stellt immer ein Produkt aus einem Zahlenwert und einer Einheit<br />

dar. Eine Spannung wird beispielsweise angegeben<br />

U = 300 V<br />

Dabei ist 300 der Zahlenwert und V die Einheit (Volt). Will man nur den Zahlenwert<br />

angeben, schreibt man {U}, will man nur die Einheit angeben, schreibt man [U]. Damit gilt<br />

U = {U} [U]<br />

{U} = 300<br />

[U] = 1 V<br />

Die Größen werden mit Formelzeichen dargestellt, für die folgende Regeln gelten sollen:<br />

Vektorielle Größen werden i.a. mit einem Pfeil versehen. Es gilt daher<br />

F = F<br />

r<br />

Zeitabhängige Größen werden, falls es aus Gründen der Deutlichkeit sinnvoll ist, dies<br />

besonders hervorzuheben, mit dem Formelzeichen t für die Zeit versehen,<br />

beispielsweise u(t). Darüber hinaus gibt es in der <strong>Elektrotechnik</strong> die Festlegung, dass<br />

für die meisten Größen zeitlich veränderliche Werte in Kleinbuchstaben und zeitlich<br />

konstante Werte in Großbuchstaben verwendet werden.<br />

U Gleichspannung oder Effektivwert einer periodischen Spannung<br />

u zeitlich veränderliche Spannung.<br />

Komplexe Größen werden durch Unterstreichen des Grundzeichens hervorgehoben. Fehlt<br />

der Unterstrich, handelt es sich um den Betrag der komplexen Größe.<br />

Z = Z<br />

Da für die Formelzeichen in der <strong>Elektrotechnik</strong> häufig auch griechische Buchstaben<br />

verwendet werden, soll das griechische Alphabet hier der Vollständigkeit halber angeführt<br />

werden.<br />

Α α Alpha Ι ι Jota Ρ ρ Rho<br />

Β β Beta Κ κ Kappa Σ σ Sigma<br />

Γ γ Gamma Λ λ Lambda Τ τ Tau<br />

Δ δ Delta Μ μ My Υ υ Ypsilon<br />

Ε ε Epsilon Ν ν Ny Φ ϕ Phi<br />

Ζ ζ Zeta Ξ ξ Xi Χ χ Chi<br />

Η η Eta Ο ο Omikron Ψ ψ Psi<br />

Θ ϑ Theta Π π Pi Ω ω Omega<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 7


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

0.6 SI-Einheiten<br />

Physikalische Größen können am einfachsten ineinander umgerechnet werden, wenn man ein<br />

kohärentes Einheitensystem verwendet. Kohärent bedeutet, dass bei der Umrechnung von<br />

einer Einheit in eine andere immer der Umrechungsfaktor 1 auftritt. Das SI-System („Système<br />

International d’Unités“) ist ein kohärentes Einheitensystem.<br />

Die Basiseinheiten des SI-Systems sind:<br />

Größe Name der SI-Einheit Zeichen der Einheit<br />

Länge Meter m<br />

Masse Kilogramm kg<br />

Zeit Sekunde s<br />

Elektrische Stromstärke Ampere A<br />

Thermodynamische Temperatur Kelvin K<br />

Stoffmenge Mol mol<br />

Lichtstärke Candela cd<br />

Alle anderen Einheiten werden als Produkte, Quotienten und Potenzen der Basiseinheiten<br />

dargestellt. Sehr oft wird dieser abgeleiteten Einheit <strong>zur</strong> einfacheren Darstellung ein neuer<br />

Name gegeben.<br />

Zur Unterteilung der Einheiten in dezimale Vielfache werden die bekannten Vorsatzzeichen<br />

verwendet:<br />

Bezeichnung Zeichen Wert Bezeichnung Zeichen Wert<br />

Dezi- d 10 -1 Deka- da 10 1<br />

Centi- c 10 -2 Hekto- h 10 2<br />

Milli- m 10 -3 Kilo- k 10 3<br />

Mikro- μ 10 -6 Mega- M 10 6<br />

Nano- n 10 -9 Giga- G 10 9<br />

Piko- p 10 -12 Tera- T 10 12<br />

Femto- f 10 -15 Peta- P 10 15<br />

Atto- a 10 -18 Exa- E 10 18<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 8


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1 Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong><br />

1.1 Elektrischer Gleichstromkreis<br />

Elektrischer Strom fließt nur in einem geschlossenen Stromkreis. Ein elektrischer Stromkreis<br />

besteht mindestens aus einem Erzeuger (Generator oder Batterie), einem Verbraucher<br />

(Lampe, Motor) und Hin- und Rückleiter.<br />

Abbildung 1: Einfacher Stromkreis<br />

Abbildung 3: Salzlösung als Leiter<br />

Leiter sind Metalle, Kohle, feuchte Erde und manche Flüssigkeiten<br />

Isolierstoffe (Nichtleiter) sind Luft Gummi, Glas und Kunststoffe<br />

Halbleiter sind z.B. Silizium und Germanium<br />

Abbildung 2: Verschiedene Materialien<br />

Abbildung 4: Stromkreis mit Schalter<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 9


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.2 Schaltzeichen<br />

Schaltzeichen dienen der symbolischen Darstellung von elektrischen und elektronischen<br />

Schaltkreisen. In den folgenden Abbildungen sehen Sie eine Gegenüberstellung verschiedener<br />

Schaltelemente und ihrer Schaltzeichen.<br />

Abbildung 5: Schaltzeichen<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 10


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.3 Elektrische Ladung<br />

Auf Grund der elektrischen Ladung gibt es Anziehungs- und Abstoßungskräfte. Gleichartige<br />

Ladungen stoßen sich ab, ungleichartige ziehen sich an. Reibt man einen Polystyrolstab mit<br />

einem Tuch wird er elektrisch aufgeladen und zieht Papierschnitzel an. Zwei geladene<br />

Polystyrolstäbe stoßen sich ab, der geladene Acrylglasstab zieht den Polystyrolstab jedoch an:<br />

Abbildung 6: Elektrische Ladung und ihre Wirkung<br />

Als Symbol für die elektrische Ladung wird der Buchstabe Q verwendet. Die Einheit dazu ist<br />

ein Coulomb. Ein Coulomb ist definiert als das Produkt von Ampere und Sekunde. Coulomb<br />

ist keine Basiseinheit im SI-System.<br />

[Q] = 1 C = 1 As<br />

Es gibt elektrische Ladungen von zwei verschiedenen Polaritäten, die als positiv und negativ<br />

bezeichnet werden. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, gleiche Ladungen stoßen sich<br />

ab.<br />

Die Ladung eines Elektrons ist die kleinste Einheit der elektrischen Ladung. Man nennt sie<br />

auch Elementarladung:<br />

e = -1,602 . 10 -19 C = -1,602 . 10 -19 As<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 11


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.4 Elektrische Spannung und Potential<br />

Ungleichartige Ladungen ziehen sich an. Will man sie trennen, muss man eine Kraft<br />

aufwenden. Dabei steigt die elektrische Spannung.<br />

Abbildung 7: Elektrische Spannung<br />

1.4.1 Elektrisches Potenzial<br />

In der folgenden Abbildung sehen Sie die Frontplatte eines Netzgerätes mit mehreren<br />

Ausgangsspannungen. Die Ausgänge haben in Bezug auf Masse die Potenziale 3V bis 12V.<br />

Zwischen zwei Anschlüssen misst man eine Potentialdifferenz oder Spannung.<br />

Abbildung 8: Elektrisches Potenzial<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 12


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.4.2 Arten der Spannungserzeugung<br />

Energie kann nicht erzeugt, sondern nur<br />

umgewandelt werden. In der nebenstehenden<br />

Abbildung sehen Sie verschiedene<br />

Möglichkeiten, wie elektrische Energie aus<br />

anderen Energieformen erzeugt wird, wie<br />

zum Beispiel aus magnetischer, chemischer<br />

und mechanischer Energie oder aus Wärme-<br />

bzw. Lichtenergie.<br />

Abbildung 9: Arten der Spannungserzeugung<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 13


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.4.3 Messung elektrischer Spannung<br />

Elektrische Spannungen kann man mit einem Voltmeter messen. Das abgebildete<br />

Vielfachmessgerät hat mehrere Messbereiche für verschiedene Spannungen (man kann aber<br />

damit auch noch andere elektrische Größen wie z.B. Strom und Widerstand messen). In den<br />

weiteren Abbildungen sieht man auch die Schaltungen um die Spannung an einer Batterie<br />

sowie an einer Glühbirne zu messen. Rechts daneben ist jeweils die dazugehörende Schaltung<br />

dargestellt. In der Abbildung links unten sieht man den Schaltplan für die gleichzeitige<br />

Messung der Gesamtspannung U und der Teilspannungen U1 und U2 mit Hilfe von drei<br />

Messgeräten.<br />

Abbildung 10: Messung elektrischer Spannung<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 14


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.5 Elektrischer Strom<br />

Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungen (meist<br />

Elektronen).<br />

Die elektrische Stromstärke I ist die durch einen Leiterquerschnitt bewegte Ladung Q pro Zeit<br />

t. Die Stromstärke wird in der Einheit Ampere (A) angegeben.<br />

Q<br />

I = mit [ I ] = A<br />

t<br />

Abbildung 11: Elektrischer Strom<br />

1.5.1 Technische und physikalische Stromrichtung<br />

Der Elektronenfluss (physikalische Stromrichtung) ist von Minus nach Plus. Die technische<br />

Stromrichtung verläuft von Plus nach Minus.<br />

Abbildung 12: Technische und physikalische Stromrichtung<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 15


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.5.2 Elektrischer Strom in Metallen<br />

In Metallen lassen sich die Elektronen der äußeren Hülle leicht vom restlichen Atom lösen.<br />

Diese Elektronen stehen dann als freie Elektronen <strong>zur</strong> Verfügung. Legt man eine Spannung<br />

an, bewegen sich die Elektronen mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 10 mm/s. Die<br />

Wirkung des elektrischen Stroms breitet sich mit 50% bis 100% der Lichtgeschwindigkeit<br />

(300 000 km/s) fort.<br />

Abbildung 13: Elektrischer Strom in Metallen<br />

1.5.3 Messung der elektrischen Stromstärke<br />

Das bereits erwähnte Vielfachmessgerät kann auch <strong>zur</strong> Messung des Stroms verwendet<br />

werden. Das Messgerät wird dabei in Reihe zum Verbraucher geschaltet und dabei vom<br />

gesamten Strom durchflossen. Die Stromstärke ist im gesamten Stromkreis gleich groß.<br />

Abbildung 14: Messung der elektrischen Stromstärke<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 16


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.5.4 Wirkung des elektrischen Stroms<br />

Der elektrische Strom lässt sich an seiner<br />

Wirkung beschreiben. Die verschiedenen<br />

Wirkungen des Stroms werden in vielen<br />

elektrischen Geräten verwendet, wie Sie in<br />

der nebenstehenden Abbildung erkennen<br />

können.<br />

Abbildung 15: Wirkung des elektrischer Stroms<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 17


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.5.5 Stromarten<br />

Abbildung 16: Stromarten<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 18


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.5.6 Stromdichte<br />

Die Stromdichte J (manchmal auch S) ist definiert als Stromstärke I geteilt durch die<br />

Querschnittsfläche A.<br />

I<br />

[ I]<br />

A<br />

J = und [ J ] = = 2<br />

A<br />

[ A]<br />

mm<br />

Die Erwärmung eines Leiters hängt von der Stromdichte und von den Kühlungsmöglichkeiten<br />

ab. Einzelne dünne frei hängende Drähte können ihre Wärme besser abgeben als mehradrige,<br />

dicke und in einem gut Wärme isolierenden Material verlegte Drähte.<br />

Abbildung 17: Stromdichte<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 19


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

1.6 Elektrischer Widerstand<br />

Fließt ein Strom durch einen Leiter bewegen sich die freien Elektronen durch die Atome des<br />

Leiterwerkstoffs hindurch. Auf Grund der Wärmeenergie schwingen dabei die Atome um ihre<br />

Ruhelage und setzen dem Strom einen Widerstand entgegen. Der elektrische Widerstand R<br />

hat die Einheit Ω. Der Kehrwert des Widerstandes heißt Leitwert G mit der Einheit Siemens<br />

S. Daher gilt:<br />

G<br />

R<br />

1<br />

= mit [R ] = Ω und G = = S<br />

Ω<br />

1<br />

[ ]<br />

1.6.1 Spezifischer Widerstand<br />

Der elektrische Widerstand eines Metalldrahtes hängt von der Länge l, vom Leiterquerschnitt<br />

A und von einer materialabhängigen Konstanten, dem spezifischen Widerstand ρ ab. Es gilt<br />

die Gleichung:<br />

⋅l<br />

R =<br />

A<br />

ρ<br />

⇒<br />

R ⋅ A<br />

ρ = ⇒<br />

l<br />

[ R]<br />

⋅[<br />

A]<br />

Ω⋅<br />

mm<br />

[ ρ ] = =<br />

[ l]<br />

m<br />

Der Kehrwert des spezifischen Widerstands ρ ist der spezifischen Leitwert γ:<br />

1<br />

1 m<br />

γ = ⇒ [ γ ] = =<br />

2<br />

ρ<br />

[ ρ]<br />

Ω⋅<br />

mm<br />

Abbildung 18: Elektrischer Widerstand<br />

Beispiel: Ein Kupferdraht mit 1mm² Querschnitt und 56m Länge hat den Widerstand 1 Ω.<br />

Berechnen Sie den spezifischen Widerstand.<br />

Führen Sie die gleiche Rechnung für Silber (62m), Aluminium (36m) und Eisen (45m) durch.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 20<br />

2


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Die Materialien werden je nach ihrem spezifischen Widerstand in Leiter, Halbleiter und<br />

Isolatoren eingeteilt.<br />

Kategorie ca. Wertebereich für ρ [Ω cm] Beispiele<br />

Leiter 10 -6 - 10 -3 Gold, Kupfer, Aluminium, Graphit<br />

Halbleiter 10 -3 - 10 10 Germanium, Silizium, Gallium-Arsenid<br />

Isolatoren 10 10 - 10 17 Glas, Diamant, PVC<br />

In der folgenden Tabelle sind die spezifischen Widerstände und Leitwerte für einige Metalle<br />

aufgeführt:<br />

Werkstoff ρ [Ω mm 2 / m] κ [S m / mm 2 ]<br />

Aluminium 0,028 36<br />

Kupfer 0,0178 56<br />

Silber 0,016 62<br />

Gold 0,022 45,7<br />

Stahl 0,13 7,7<br />

Wolfram 0,055 18,2<br />

Abbildung 19: Spezifischer Widerstand<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 21


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1.6.2 Ohmsches Gesetz<br />

Legt man an einen Widerstand R die Spannung U ergibt sich ein Strom I, der <strong>zur</strong> Spannung<br />

direkt proportional ist. Die Proportionalitätskonstante ist der Kehrwert des Widerstandes R<br />

(Leitwert). Diesen Zusammenhang nennt man das Ohmsche Gesetz:<br />

U<br />

I = ⇔<br />

R<br />

Für die Einheiten gilt daher:<br />

[ U ] V<br />

[ R]<br />

= =<br />

[ I]<br />

A<br />

= Ω<br />

U<br />

R = ⇔ U = R ⋅ I<br />

I<br />

Abbildung 20: Ohmsches Gesetz<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 22


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1.6.3 Temperaturabhängigkeit des Widerstands<br />

Der elektrische Widerstand verändert sich mit der Temperatur.<br />

Bei manchen Stoffen nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur zu. Sie leiten also im<br />

kalten Zustand besser, daher nennt man sie Kaltleiter oder PTC (Positive Temperature<br />

Coefficient). Typische Beispiele sind Metalle. Bei ihnen ist die Widerstandsänderung<br />

näherungsweise linear:<br />

R<br />

ϑ<br />

= R20<br />

+ α ⋅Δϑ<br />

In Tabelle 2 finden Sie die Temperaturbeiwerte für verschiedene Materialien. Genau<br />

genommen kommt noch ein Term dazu der mit dem Quadrat der Temperatur ansteigt, der<br />

kann aber in den meisten Fällen (bei geringen Temperaturen) vernachlässigt werden:<br />

Abbildung 21: Temperaturabhängigkeit des Widerstandes<br />

Bei anderen Stoffen nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab. Sie leiten also im<br />

heißen Zustand besser, daher nennt man sie Heißleiter oder NTC (Negative Temperature<br />

Coefficient). Typische Beispiele sind Halbleiter und Kohle. Bei Halbleitern ist die<br />

Widerstandsänderung stark nichtlinear.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 23


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1.6.4 Bauformen von Widerständen<br />

Widerstände werden in der <strong>Elektrotechnik</strong> und Elektronik sehr häufig verwendet. Es gibt<br />

zahlreiche Spezialausführungen für die verschiedenen Anwendungen:<br />

Abbildung 22: Bauformen von Widerständen<br />

Abbildung 23: DIN-IEC-Reihen E6, E12 und E24<br />

Neben dem Widerstandswert ist die Toleranz<br />

eines Widerstands eine wichtige Größe. Am<br />

Beginn der Entwicklung hatten die meisten<br />

Widerstände Toleranzen von 20%, 10% und<br />

5%. Man normte die Widerstandswerte so,<br />

dass die Toleranzbereiche sich leicht<br />

überlappten. Bei 20%igen Widerständen<br />

ergibt sich so die E6-Reihe, das heißt, eine<br />

Dekade wird mit 6 Werten abgedeckt. Bei<br />

10% Toleranz ergibt sich die E12, bei 5%<br />

die E24-Reihe. In der Zwischenzeit sind<br />

Toleranzen von 2% (E48) und 1% (E96)<br />

üblich. Viele Firmen bevorzugen aber nach<br />

wie vor die E12 oder E24 Reihe, um die<br />

Lagerhaltung nicht ausufern zu lassen.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 24


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Abbildung 24: Farbcode<br />

Widerstrände sind in zahlreichen Bauformen erhältlich:<br />

Abbildung 25: Typische Bauformen von Widerständen<br />

Bei kleinen Bauformen druckt man den<br />

Widerstandswert und die Toleranz nicht im<br />

Klartext auf, sondern verwendet einen Farbcode,<br />

um die Lesbarkeit zu verbessern.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 25


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1.7 Elektrische Quellen<br />

Als passive Zweipole bezeichnet man Zweipole, die elektrische Energie verbrauchen<br />

(Verbraucher).<br />

Als aktive Zweipole bezeichnet man Zweipole, die von sich aus eine Spannung an ihren Polen<br />

aufrecht erhalten und einen Strom durch einen angeschlossenen passiven Zweipol treiben<br />

können.<br />

Ist das Produkt aus Spannung und Strom > 0 dann wird Leistung vom aktiven Zweipol (=<br />

Quelle) an den Verbraucher abgegeben. Ist das Produkt < 0, so handelt es sich um einen<br />

passiven Zweipol.<br />

Das Verhalten realer Spannungs- und Stromquellen soll nun in Abhängigkeit von der<br />

Beschaltung durch einen passiven Zweipol untersucht werden. Dazu sind zuerst ideale<br />

Bauelemente erforderlich, die dann zu einer Ersatzschaltung zusammengestellt werden,<br />

sodass das reale Bauelement abgebildet ist.<br />

1.7.1 Ideale Spannungs- und Stromquellen<br />

Eine ideale Spannungsquelle hält unabhängig vom angeschlossenen Verbraucher und damit<br />

unabhängig vom fließenden Strom ihre Spannung konstant. Das Schaltbild und die Strom-<br />

Spannungskennlinie zeigt nachfolgendes Bild. Die Kurve 1 zeigt das Verhalten der idealen<br />

Spannungsquelle, die Kurve 2 zeigt das Verhalten der technischen Realisierung einer<br />

Konstantspannungsquelle.<br />

I U<br />

Uq<br />

Ra<br />

Abbildung 26: Ideale (1) und reale (2) Spannungsquelle<br />

Uq<br />

0<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 26<br />

2<br />

1<br />

I


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Analog dazu ist eine ideale Stromquelle definiert, die die Eigenschaft hat, unabhängig vom<br />

Belastungswiderstand immer den selben Quellstrom Iq zu erzeugen.<br />

U<br />

Iq<br />

U<br />

Ra<br />

Abbildung 27: Stromquelle<br />

Die Abbildung zeigt das Schaltbild und die Strom-Spannungs-Kennlinie einer idealen<br />

Stromquelle (Kurve 1) und das Verhalten der technischen Realisierung einer Stromquelle<br />

(Kurve 2)<br />

Die technische Realisierung von Spannungs- und Stromquellen beruht auf elektronisch<br />

geregelten Schaltungen, die bis zu einem gewissen Maximalstrom die Spannung nahezu<br />

konstant halten können (Spannungsquelle) bzw. bis zu einer gewissen Maximalspannung den<br />

Strom nahezu konstant halten könne (Stromquelle).<br />

1.7.2 Technische Quellen<br />

Technisch realisierbare Quellen haben teilweise sehr unterschiedliche Strom-Spannungs-<br />

Kennlinien. Als Beispiel für einen stark nichtlinearen Verlauf, sei der selbsterregte<br />

Gleichstrom-Nebenschlussgenerator angeführt. Dennoch kann dieser Generator in einem<br />

Bereich näherungsweise mit einer linearen Kennlinie betrachtet werden. Die folgende<br />

Abbildung zeigt die genannte Kennlinie:<br />

U<br />

0<br />

Abbildung 28: Nichtlineare Spannungsquelle<br />

0 Iq<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 27<br />

2<br />

I<br />

1<br />

I


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Als lineare Quellen bezeichnet man Quellen mit linearer I-U-Kennlinie, wie in der nächsten<br />

Abbildung dargestellt (Kennlinie und Schaltung mit einem Lastwiderstand).<br />

U<br />

U0<br />

0<br />

Leerlauf Ra = ∞<br />

Abbildung 29: Lineare Spannungsquelle<br />

Kurzschluss Ra = 0<br />

Leerlauf: Ra = ∞ Ω; die Quelle gibt die größtmögliche Spannung ab (Leerlaufspannung)<br />

Kurzschluss: Ra = 0 Ω, die Quelle gibt den größtmöglichen Strom ab (Kurzschlussstrom)<br />

Für die Gerade gilt der Zusammenhang<br />

U = U0 - Ri I (6.1)<br />

Da im Kurzschlusspunkt U = 0 und I = IK gilt, erhält man für Ri<br />

R U<br />

i =<br />

I K<br />

0 (6.2)<br />

Die Konstante Ri hat die Dimension eines Widerstandes und wird als Innenwiderstand der<br />

Quelle bezeichnet. Bei realen Quellen kann man zwar die Leerlaufspannung meist einfach<br />

messen, jedoch den Kurzschlussstrom sehr oft nicht. Zur Bestimmung von Ri genügen aber<br />

auch 2 beliebige Punkte auf der Geraden. Meistens wird bei technischen Quellen nur ein<br />

kleiner Teil der Geraden tatsächlich genutzt.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 28<br />

IK<br />

I<br />

E<br />

U<br />

I<br />

Ra


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1.7.3 Ersatzschaltungen<br />

1.7.3.1 Spannungsquellenersatzschaltung<br />

Die im vergangenen Kapitel dargelegte Überlegung mit dem Innenwiderstand kann man <strong>zur</strong><br />

Erstellung eines Ersatzschaltbildes einer Spannungsquelle verwenden, das das selbe Verhalten<br />

aufweist wie diese lineare Quelle.<br />

Uq = U0<br />

Die Klemmenspannung beträgt daher<br />

U = U0 - Ri I (6.3)<br />

Die reale Spannungsquelle setzt sich daher aus einer idealen Spannungsquelle und einem<br />

Innenwiderstand zusammen. Beide Elemente zusammen geben das richtige<br />

Klemmenverhalten wieder, sagen aber nichts über die Verhältnisse im Inneren der Quelle aus.<br />

Anders herum kann eine ideale Spannungsquelle als Spannungsquelle mit Innenwiderstand 0<br />

aufgefasst werden.<br />

1.7.3.2 Stromquellenersatzschaltung<br />

Die genannten Eigenschaften einer linearen Quelle lassen sich auch mit Hilfe einer idealen<br />

Stromquelle erzielen. Der Widerstand Ri ist dabei wiederum der selbe Innenwiderstand wie<br />

bei der Spannungsquelle. Der Strom I durch den Verbraucher ist ein Teil des Quellenstromes<br />

der idealen Stromquelle. Unter Berücksichtigung von Gleichung (6.2) gilt<br />

U U 0 U U0 −U<br />

I = IK − GU i = IK<br />

− = − =<br />

(6.4)<br />

R R R R<br />

i i i i<br />

Löst man diese Gleichung nach U auf, so ergibt sich wiederum die Gl. (6.1).<br />

Iq = IK<br />

Ri I<br />

Gi<br />

U<br />

U<br />

Ra<br />

I<br />

Ra<br />

mit Ri =<br />

G<br />

1<br />

Eine ideale Stromquelle ist eine lineare Stromquelle mit dem Innenwiderstand ∞.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 29<br />

i


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Die beiden Ersatzschaltungen sind in Bezug auf ihr Klemmenverhalten äquivalent. Eine<br />

Umformung ist nur dann nicht möglich, wenn der Innenwiderstand 0 oder ∞ ist, es sich daher<br />

um eine ideale Spannungs- bzw. Stromquellen handelt.<br />

1.8 Leistungsanpassung<br />

Die von der Quelle an den Verbraucher abgegebene Leistung errechnet sich zu<br />

P = U I = (U0 - Ri I) I = U0 I - Ri I 2 (6.5)<br />

Im Leerlauf- und im Kurzschlussfall wird keine Leistung abgegeben. Eine<br />

Extremwertrechnung ergibt, dass der Maximalwert der abgegebenen Leistung bei I = IK/2<br />

bzw. U = U0/2 auftritt. Die in diesem Fall abgegebene Leistung errechnet sich zu<br />

2<br />

U0 IK U0<br />

Pmax = ( UI)<br />

max = =<br />

2 2 4R<br />

(6.6)<br />

i<br />

Das bedeutet, dass die maximal abgegebene Leistung dann auftritt, wenn über die Klemmen<br />

die Hälfte des Kurzschlussstromes fließt. Dies ist dann der Fall, wenn<br />

Ra = Ri (6.7)<br />

ist. Diesen Zustand nennt man Leistungsanpassung. In der Nachrichtentechnik wird dieser<br />

Zustand häufig angestrebt, um das Signal eines Senders möglichst leistungsstark an den<br />

Empfänger zu übertragen. In der Energietechnik ist der Zustand der Leistungsanpassung<br />

zumeist nicht sinnvoll, da der Wirkungsgrad zu schlecht ist. Der Wirkungsgrad beträgt im<br />

Fall der Leistungsanpassung η = 50 %, da die Hälfte der Leistung am Verbraucher und die<br />

andere Hälfte im Innenwiderstand der Quelle umgesetzt wird.<br />

Beispiel: Bei welchen Vorgängen wird Energie erzeugt?<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 30


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1.9 Elektrische Energie und Arbeit<br />

1.9.1 Gewinnung elektrischer Energie<br />

Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Energie lässt sich nicht erzeugen, sondern nur<br />

in eine andere Form umwandeln. Man kann elektrische Energie auf verschiedenen Arten<br />

gewinnen:<br />

Abbildung 30: Gewinnung elektrischer Energie<br />

In der folgenden Abbildung wird die Gewinnung elektrischer Energie durch Wasserkraft<br />

veranschaulicht:<br />

Abbildung 31: Wasserkraftwerk<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 31


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1.9.2 Elektrische Arbeit<br />

Die elektrische Arbeit ist das Produkt aus Spannung U, Strom I und der Zeit t:<br />

W = U ⋅ I ⋅t<br />

Die Einheit der elektrischen Arbeit ergibt sich zu:<br />

[ W ] = [ U ] ⋅[<br />

I]<br />

⋅[<br />

t]<br />

= V ⋅ A⋅<br />

s = W ⋅ s = 1J<br />

Die verbrauchte elektrische Energie wird mit einem Zähler erfasst und vom Energieversorgungsunternehmen<br />

(EVU) in Rechnung gestellt.<br />

Abbildung 32: Elektrizitätszähler<br />

1.9.3 Elektrische Leistung<br />

Leistung ist Arbeit pro Zeit.<br />

Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung U und Strom I:<br />

P = U ⋅ I<br />

Für die Einheit der elektrischen Leistung ergibt sich:<br />

[ P ] = [ U ] ⋅[<br />

I]<br />

= V ⋅ A = W<br />

Mit Hilfe des Ohmschen Gesetze ergibt sich daraus:<br />

U = R ⋅ I → P = U ⋅ I ⇒ P = I ⋅ R<br />

2<br />

U<br />

I = → P = U ⋅ I ⇒<br />

R<br />

U<br />

P =<br />

R<br />

2<br />

Die elektrische Leistung kann direkt mit einem Wattmeter oder indirekt mit einem Volt- und<br />

Amperemeter gemessen werden:<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 32


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Abbildung 33: Elektrische Leistung<br />

Beispiel: Welche maximale Leistung halten die Widerstände in der obigen Grafik aus?<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 33


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1.9.4 Wirkungsgrad<br />

Die Verlustleistung ist die Differenz zwischen zugeführter und abgegebener Leistung:<br />

P = P − P<br />

V<br />

zu<br />

ab<br />

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung:<br />

η =<br />

P<br />

P<br />

ab<br />

zu<br />

Bei einem Elektromotor setzt sich die Verlustleistung aus Lüftungs-, Reibungs- und<br />

Erwärmungsverluste zusammen. Schaltet man mehrere Geräte hintereinander sinkt der<br />

Gesamtwirkungsgrad.<br />

η = η ⋅<br />

1 η2<br />

Abbildung 34: Wirkungsgrad<br />

Beispiel: Berechnen Sie Verlustleistung und Wirkungsgrad für:<br />

a) einen Motor mit Pzu=2000W und Pab=1500W<br />

b) eine Glühbirne mit Pzu=80W und Pab=12W<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 34


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2 Grundschaltungen der <strong>Elektrotechnik</strong><br />

2.1 Reihenschaltung<br />

Bei der Reihenschaltung sind die einzelnen Verbraucher (z.B. Glühbirnen, Motoren) so<br />

geschaltet, dass sie vom selben Strom nach einander durchflossen werden. Die<br />

Reihenschaltung nennt man auch Hintereinanderschaltung. In der Reihenschaltung fließt<br />

überall derselbe Strom. Die Summe der Teilspannungen entspricht der Gesamtspannung.<br />

Abbildung 35: Reihenschaltung<br />

2.1.1 Maschenregel (2. Kirchhoffsches Gesetz)<br />

Maschenregel (2. Kirchhoffsches Gesetz):<br />

In einer Masche ist die Summe aller Spannungen gleich Null.<br />

Der Umlaufsinn ist frei wählbar, muss aber innerhalb einer Masche gleich bleiben.<br />

Abbildung 36: Maschenregel<br />

Setzt man die Maschengleichung für die obige Masche an, so erhält man:<br />

−U + U + U<br />

1<br />

2<br />

= 0<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 35


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Mit dem Ohmschen Gesetz ergibt sich:<br />

U = R + R ) ⋅ I = R ⋅ I<br />

( 1 2<br />

Daher gilt für den Gesamtwiderstand:<br />

R R R + =<br />

1<br />

2<br />

Allgemein gilt für die Reihenschaltung: Der Gesamtwiderstand ist gleich der Summe der<br />

Einzelwiderstände.<br />

= ∑ k R R<br />

2.1.2 Vorwiderstände<br />

Mit Hilfe eines Vorwiderstandes kann man Verbraucher an eine Spannung legen, die größer<br />

als die maximale Betriebsspannung ist. Da aber die Belastung für den Vorwiderstand groß<br />

und der Wirkungsgrad schlecht ist macht man davon nur bei kleinen Leistungen Gebrauch.<br />

Abbildung 37: Vorwiderstand<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 36


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2.1.3 Messbereichserweiterung von Spannungsmessgeräten<br />

Mit Hilfe von Vorwiderständen kann man den Messbereich von Voltmetern erweitern:<br />

Abbildung 38: Messbereichserweiterung<br />

2.1.4 Spannungsabfall an Leitungen<br />

Da auch die Hin- und Rückleitung zu einem Verbraucher einen Ohmschen Widerstand haben,<br />

fällt auch an den Zuleitungen eine Spannung ab. Die dabei entstehende Verlustleistung ist<br />

besonders bei Verbrauchern mit großer Leistung störend.<br />

Abbildung 39: Spannungsabfall an Leitungen<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 37


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2.2 Parallelschaltung<br />

Bei der Parallelschaltung sind alle Stromeintrittsklemmen sowie die Stromaustrittsklemmen<br />

mit einander verbunden. Baut man die unten angegebenen Schaltungen auf, stellt man fest:<br />

• An parallel geschalteten Verbrauchern liegt dieselbe Spannung.<br />

• Die Summe der Teilströme ergibt den Gesamtstrom.<br />

Abbildung 40: Parallelschaltung<br />

2.2.1 Knotenregel (1. Kirchhoffsches Gesetz)<br />

Knotenregel (1. Kirchhoffsches Gesetz):<br />

In einem Knoten ist die Summe aller Ströme gleich Null.<br />

Man kann die zufließenden oder die abfließenden Ströme positiv zählen, muss das aber bei<br />

einem Knoten beibehalten.<br />

Abbildung 41: Knotenregel<br />

Beispiel:<br />

Zwei Widerstände R1 und R2 werden parallel an eine Spannungsquelle U angeschlossen.<br />

Berechnen Sie allgemein die Teilströme I1 und I2, den Gesamtstrom I und daraus den<br />

Gesamtwiderstand R.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 38


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

Man erhält als Gesamtwiderstand:<br />

1 1 1<br />

= +<br />

R R R<br />

1<br />

2<br />

Oder:<br />

Allgemein gilt für die Parallelschaltung:<br />

1<br />

=<br />

R<br />

∑<br />

1<br />

Rk<br />

2.3 Anwendungen<br />

2.3.1 Spannungsteilerregel<br />

R1<br />

⋅ R2<br />

R =<br />

R + R<br />

Beispiel:<br />

Zwei Widerstände R1 und R2 werden hintereinander an eine Spannungsquelle U<br />

angeschlossen. Berechnen Sie allgemein den Strom I und die Teilspannungen U1 und U2.<br />

Man erhält die Spannungsteilerregel:<br />

U<br />

2<br />

R2<br />

= U ⋅<br />

R + R<br />

1<br />

2<br />

2.3.2 Messbereichserweiterung eines Voltmeters<br />

Beispiel:<br />

Ein Voltmeter hat einen maximalen Messbereich von 1 V und einen sehr großen<br />

Innenwiderstand. Dimensionieren Sie einen Spannungsteiler so, dass der Messbereich<br />

a) auf 10 V vergrößert wird.<br />

b) auf 100 V vergrößert wird.<br />

c) auf 1000 V vergrößert wird.<br />

d) zwischen 1V, 10V, 100V und 1000V umschaltbar wird<br />

2.3.3 Messbereichserweiterung eines Amperemeters<br />

Beispiel:<br />

Ein Voltmeter hat einen maximalen Messbereich von 100 mV und einen sehr großen<br />

Innenwiderstand. Dimensionieren Sie einen Widerstand (Shunt) so, dass sich ein<br />

Strommessbereich<br />

a) von 1 A ergibt.<br />

b) von 100 mA ergibt.<br />

c) von 10 mA ergibt.<br />

d) von 1 mA ergibt.<br />

e) zwischen 1mA, 10mA, 100mA und 1A umschaltbar wird<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 39<br />

1<br />

2


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

2.4 Spannungs- und stromrichtiges Messen<br />

In der folgenden Abbildung sehen Sie zwei Schaltungen <strong>zur</strong> Bestimmung eines elektrischen<br />

Widerstandes.<br />

Abbildung 42: Spannungs- und stromrichtiges Messen<br />

In der linken Abbildung wird die Spannung am Widerstand richtig gemessen. Das<br />

Amperemeter misst zusätzlich zum Strom durch den Widerstand den Strom durch das<br />

Voltmeter. Die Strommessung birgt also einen Fehler der durch das Prinzip bedingt ist, ein<br />

genaueres Messgerät würde die Messgenauigkeit nicht verbessern. Der Messfehler wird<br />

prozentuell bei kleinen Strömen (großen Widerständen) besonders groß.<br />

Das spannungsrichtige Messen ist also für kleine Widerstände gut geeignet.<br />

In der rechten Abbildung wird der Strom durch Widerstand richtig gemessen. Das Voltmeter<br />

misst den Spannungsabfall am Amperemeter. Der Messfehler wird prozentuell bei großen<br />

Strömen (kleinen Widerständen) besonders groß.<br />

Das stromrichtige Messen ist also für große Widerstände gut geeignet.<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 40


<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />

2.5 Galvanische Elemente<br />

Zwei verschiedene Metalle in einem Elektrolyten ergeben eine elektrochemische Spannungsquelle.<br />

Die Spannung wird umso größer, je weiter die Elemente in der elektrochemischen<br />

Spannungsreihe von einander entfernt sind:<br />

Abbildung 43: Galvanische Elemente und elektrochemische Spannungsreihe<br />

2.5.1 Primärelemente (Batterien)<br />

Die chemische Energie kann nur einmal in elektrische Energie umgewandelt werden. Das<br />

Element kann nicht wieder geladen werden. Das negative Elektrodenmaterial wird verbraucht.<br />

In der folgenden Abbildung sehen Sie eine Übersicht über die wichtigsten<br />

Elektrodenmaterialien und Bauformen von Batterien:<br />

Abbildung 44: Primärzellen<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 41


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2.5.2 Sekundärelemente (Akkumulatoren)<br />

Bei einem Akkumulator werden die Elektroden chemisch verändert. Beim Laden wird die<br />

elektrische in chemische Energie umgewandelt. Bei der Entladung läuft der Vorgang<br />

umgekehrt ab:<br />

Abbildung 45: Ladung und Entladung eines Blei- und Li-Ionen-Akkumulators<br />

In der folgenden Abbildung sind die wichtigsten Kenngrößen von Akkumulatoren<br />

zusammengefasst:<br />

Abbildung 46: Wichtige Kenngrößen für Akkumulatoren<br />

© W. Rokitansky Grundbegriffe der <strong>Elektrotechnik</strong> Seite 42

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