Gleichstromtechnik. Vorlesung 2: Phänomene der Elektrotechnik. Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann

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1 Gleichstromtechnik Vorlesung 2: Phänomene der Elektrotechnik Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann

2 Reibungselektrizität Bereits um 550 v. Chr. hat Thales von Milet die Reibungselektrizität nachgewiesen Bernstein, der an Wolle gerieben wird, zieht Fasern, kleine Federchen und ähnliche Stoffe an Bernstein hieß bei den Griechen hlektro und wird als ilektro gesprochen, Versuch zur Reibungselektrizität ist damit der Ursprung des Wortes Elektrizität Nach dem Reiben zweier unterschiedlicher Körper wirkt zwischen ihnen eine anziehende Kraft, die der Wirkung elektrischer Ladungen zugeschrieben wird, dabei wird von zwei verschiedenen elektrischen Ladungstypen ausgegangen, sie werden als positive und negative Ladungen bezeichnet Durch Reibung werden einem Material Elektronen entzogen, die das andere Material aufnimmt Grund für diesen Effekt ist, dass unterschiedliche Materialien Elektronen unterschiedlich stark an sich binden (Elektronegativität) genannt Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 2

3 Reibungselektrizität Katzenfell Glas Fell Papier Bernstein Amalgam + Diamant Flanell Blei Baumwolle Hartgummi Speckstein - Hasenfell Wolle Seide Metall Schwefel Richtung steigender Elektronegativität Stoff mit der kleineren Elektronegativität gibt beim Reiben Elektronen ab und ist positiv geladen, der mit der höheren Elektronegativität nimmt Elektronen auf und ist negativ geladen Körper weisen betragsmäßig gleich große Ladungen mit unterschiedlichem Vorzeichen auf Versuche von Thales zeigen, dass Elektrizität nicht direkt wahrgenommen werden kann, sie ist nicht direkt sichtbar, Elektrizität wird durch ihre Wirkung beschrieben Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 3

4 Kräfte auf Ladungen im elektrischen Feld Versuch zur Beobachtung von Kräften auf geladene Körper Körper mit gleicher Ladung stoßen sich ab, Körper mit unterschiedlicher Ladung ziehen sich an Kräfte, die auf die Ladungen wirken, werden coulombsche Kräfte genannt Coulombsche Kräfte treten auch im Vakuum auf, bedürfen also keines besonderen Mediums Jede Ladung verändert in ihrer Umgebung den Zustand des Raumes derart, dass auf andere Ladungen Kraftwirkungen ausgeübt werden Unterschiedlich geladene Körper ziehen sich an + - Zwei positiv geladene Körper stoßen sich ab + + Zwei negativ geladene Körper stoßen sich ab - - Kraftwirkung F Zustand des Raumes wird als elektrisches Feld bezeichnet Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 4

5 Kräfte auf Ladungen im elektrischen Feld Das elektrische Feld E wird über die Kraft F definiert, die auf eine Ladung Q wirkt F = Q E Größen F und E sind gerichtete Größen (Vektoren) Proportionalitätskonstante Q wird als elektrische Ladung bezeichnet, ihre Einheit ist das Coulomb (C) Q Elektrisches Feld E Kraftwirkung F Q Q C A s Das Coulomb ist eine abgeleitete Größe des SI-Einheitensystems, sie wurde nach dem Physiker Charles A. Coulomb benannt, der die Beziehung zwischen Kraft und Ladung erkannte Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 5

6 Kräfte auf Ladungen im elektrischen Feld Ladung lässt sich messen und liegt nur als ganzzahliges Vielfaches einer Elementarladung e vor Q n e Unter der Elementarladung wird die kleinstmögliche, nicht mehr weiter teilbare, Ladung verstanden, sie hat einen Wert von Q Elektrisches Feld E Kraftwirkung F Q e 19 1,6 10 C Elementarladung wird von Elektronen und Protonen getragen, Elektronen tragen negative, Protonen positive Ladung Elektrisches Feld die Ursache für die Bewegung der Ladungsträger in einem elektrischen Leiter Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 6

7 Ladung und Atommodell Material besteht aus Atomen, die aus den Ladungsträgern Protonen und Elektronen bestehen, beide tragen die Elementarladung e Elektronen besitzen eine negative, Protonen eine positive Elementarladung Anzahl der Protonen und Elektronen im Atom ist gleich groß, sodass ein solches Atom nach außen hin elektrisch neutral wirkt Durch Energiezufuhr kann ein Atom zu einem Ion werden, bei der Ionisierung werden entweder Elektronen aus der Atomhülle entfernt oder angelagert, bei fehlenden Elektronen spricht man von einem positiven, bei Elektronenüberschuss von einem negativen Ion Ein weiteres Teilchen des Atoms ist das elektrisch neutrale Neutron Protonen und Neutronen bilden den Atomkern, der den überwiegenden Anteil der Masse eines Atoms enthält Protonen oder Neutronen besitzen etwa das 2000-fache der Masse eines Elektrons Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 7

8 Ladung und Atommodell Eigenschaften der Elementarteilchen Elementarteilchen Durchmesser d / m Ruhemasse m / kg Elementarladung / C Proton 1, , , Neutron 1, , Elektron < , , Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 8

9 Ladung und Atommodell Bohrsche Atommodell (Niels Bohr, ) Elektronen umkreisen den Atomkern auf geschlossenen Bahnen, Kreisbewegung der Elektronen bewirkt eine Zentripetalkraft, welche die Elektronen vom Kern abstößt, coulombsche Kraft wirkt dagegen anziehend Bei einer gleichförmigen Kreisbewegung der Elektronen sind die Beträge dieser Kräfte gleich groß Ist ein Elektron für eine Kreisbahn zu langsam, wird es vom Atomkern angezogen und gelangt auf eine niedrigere Bahn herab, dabei gewinnt es an Geschwindigkeit, sodass die Zentripetalkraft ansteigt Es stellt sich ein anderes Gleichgewicht aus coulombscher Kraft und Zentripetalkraft ein Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 9

10 Ladung und Atommodell Nach der klassischen Physik müsste es demnach unendlich viele Gleichgewichtszustände mit Kreisund Ellipsenbahnen geben Bohr, Planck und andere Naturwissenschaftler haben jedoch herausgefunden, dass nur Bahnen mit definierten Energieniveaus vorkommen (Quantenphysik), daher stellen sich ausschließlich bestimmte Bahnen ein, sie werden Schalen genannt Für jede Schale gibt es eine durch die Quantenphysik vorgegebene maximale Anzahl von Elektronen, die sich in der Schale aufhalten können, ist diese Anzahl erreicht, wird von einer voll besetzten Schale gesprochen Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 10

11 Ladung und Atommodell Anzahl der Elektronen einer voll besetzten Schale ist unterschiedlich groß, werden die Schalen von innen nach außen mit n nummeriert, kann man die maximale Anzahl der Elektronen auf dieser Bahn n mit 2 n 2 angeben Elektronen der äußersten Schale werden als Valenzelektronen bezeichnet Bei Metallen können diese mit anderen Atomen wechselwirken und sind im dadurch gebildeten Kristallgitter frei beweglich, sie bestimmen die Leitfähigkeit des Materials Für Atome relevante Daten sind in dem Periodenelement der Elemente zusammengefasst Beispiel Kupfer Ordnungszahl Name Atomgewicht Elektronenkonfiguration 1 Cu Kupfer /8/18/1 1,9 Symbol Elektronegativität Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 11

12 Periodensystem der Elemente 1 H 2 He 1 Wasserstoff 1, ,1 1,0 Ordnungszahl 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 29 Cu Symbol Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon Name 12,011 15,999 Kupfer 6,941 9, ,811 2/4 14,007 2/6 18,988 20,180 Atomgewicht /1 2/2 2/3 2/5 2/7 2/8 2/8/18/1 Elektronenkonfiguration 1,9 Elektronegativität 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar Natrium 22,990 2/8/1 Magnesium 24,305 2/8/2 Alumnium 26,982 2/8/3 Silicium 28,086 2/8/4 Phosphor 30,974 2/8/5 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 H 34 Se 35 Br 36 Kr Kalium 39,098 2/8/8/1 Calcium 40,078 2/8/8/2 Scandium 44,956 2/8/9/2 Titan 47,867 2/8/10/2 Vanadium 50,942 2/8/11/2/ Chrom 51,996 2/8/13/1 Mangan 54,938 2/8/13/2 Eisen 55,845 2/8/14/2 Cobalt 58,933 2/8/15/2 Nickel 58,693 2/8/16/2 0,8 1,0 1,3 1,5 1,6 1,6 1,5 1,8 1,8 1,8 1,9 1,6 1,6 1,8 2,0 2,4 2,8 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 40 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe Rubidium 85,468 2/8/18/8/1 Strontium 87,62 2/8/18/8/2 Yttrium 88,906 2/8/18/9/2 Zirconium 91,224 2/8/18/10/2 Niob 92,906 2/8/18/12/1 Molybdän 95,96 2/8/18/13/1 Technetium 98,91 2/8/18/13/2 Ruthenium 101,07 2/8/18/15/1 Rhodium 102,91 2/8/18/16/1 Palladium 106,42 2/8/18/18 0,8 1,0 1,3 1,4 1,6 1,8 1,9 2,2 2,2 2,2 1,9 1,7 1,7 1,8 1,0 2,1 2,5 55 Cs 56 Ba Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn Cäsium 132,91 2/8/18/18/8/1 Barium 137,33 2/8/18/18/8/2 Hafnium 178,49 2/8/18/32/10/2 Tantal 180,95 2/8/18/32/11/2 Wolfram 183,84 2/8/18/32/12/2 Rhenium 186,21 2/8/18/32/13/2 Osmium 190,23 2/8/18/32/14/2 Iridium 192,22 2/8/18/32/15/2 Platin 195,08 2/8/18/32/17/1 Kupfer 63,546 2/8/18/1 Silber 107,87 2/8/18/18/1 Gold 196,97 2/8/18/32/18/1 Zink 65,38 2/8/18/2 Cadmium 112,41 2/8/18/18/2 Quecksilber 200,59 2/8/18/32/18/2 Gallium 69,723 2/8/18/3 Indium 114,82 2/8/18/18/3 Thalium 204,38 2/8/18/32/18/3 Germanium 72,64 2/8/18/4 Zinn 118,71 2/8/18/18/4 Blei 207,2 2/8/18/32/18/4 Arsen 74,922 2/8/18/5 5 Antimon 121,76 2/8/18/18/ Bismut 208,98 2/8/18/32/ 18/5 Schwefel 32,065 2/8/6 Selen 78,96 2/8/18/6 Tellur 127,60 2/8/18/18/6 Polonium 209,98 2/8/18/32/18/6 2/8/7 Chlor 35,453 Brom 79,904 2/8/18/7 7 Iod 126,90 2/8/18/18/ Astat (210) 2/8/18/32/ 18/7 0,7 0,9 1,3 1,5 1,7 1,9 2,2 2,2 2,2 2,4 1,9 1,8 1,8 1,9 2,0 2,2 87 Fr 88 Ra Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111Rg 112_Cn 113Uut 114 Fl 115Uup 116 Lv 117Uus 118Uuo Francium (223) 2/8/18/32/18/8/1 Radium 226,03 2/8/18/32/18/8/2 0,7 0,9 Ruther-fordium (261) 2/8/18/32/32/10/ 2 Dubnium (262) 2/8/18/32/32/11/2 Seaborgium (263) 2/8/18/32/32/12/ 2 Bohrium (262) 2/8/18/32/32/13/ 2 Hassium (265) 2/8/18/32/32/14/2 Meitnerium (266) 2/8/18/32/32/15/ 2 Darmstadtium (269) 2/8/18/32/32/17/ 1 Röntgenium (272) 2/8/18/32/32/18/ 1 Copernicium (277) 2/8/18/32/32/18/ 2 Ununtrium (287) 2/8/18/32/32/18/3 Flerovium (289) 2/8/18/32/32/18/ 4 Ununpentium (288) 2/8/18/32/ 32/18/5 Livermorium (289) 2/8/18/32/32/18/ 6 Ununseptium (293) 2/8/18/32/ 32/18/7 2 Helium 4,0026 Argon 39,948 2/8/8 Krypton 83,798 2/8/18/8 8 Xenon 131,29 2/8/18/18/ Radon (222) 2/8/18/32/ 18/8 Ununoctium (294) 2/8/18/32/ 32/18/8 Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann 12