Skriptum zur Vorlesung Elektrotechnik 1 WS2007/08 - FH-Wels
Skriptum zur Vorlesung Elektrotechnik 1 WS2007/08 - FH-Wels
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 />
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<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 />
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<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 />
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<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 />
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<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 />
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<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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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
<strong>FH</strong>-Studiengänge BUT und VTP <strong>Elektrotechnik</strong> 1<br />
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