Elektrotechnik für MB

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1 Elektrotechnik für MB Gleichstrom Elektrische und magnetische Felder Wechsel- und Drehstrom Grundlagen und Bauelemente der Elektronik Studium Plus // IW-MB WS 2015 Prof. Dr. Sergej Kovalev 1

2 Ziele 1. Gleichstrom: 1. Einführende Grundlagen. 2. Aktive und passive Zweipole, Gleichstromschaltkreise. 3. Berechnungsmöglichkeiten für Gleichstromschaltkreise. 4. Begleitende Aufgaben! 2. Elektrisches Feld: 1. Elektrisches Strömungsfeld. 2. Elektrostatisches Feld, Kapazität. 3. Begleitende Aufgaben! 2

3 Elektrische Ladungen Elektrisches Feld Elektrisches Potential Elektrischer Strom Elektrischer Widerstand Elektrische Leistung und Energie 3

4 Elektrische Ladungen Ladungsträger: Elektron, Proton mit Elementarladung ±e = ± As (oder C = Coulomb) Atomkerne: immer positiv, bestehen aus Protonen+Neutronen Elektronen: negative Atomhülle Neutrale Atome: Anzahl Protonen und Elektronen gleich Ionen: Elektronen fehlen ( + ) oder sind überzählig ( - ) Ladungsmengen: nur ganzzahliges Vielfaches n der Elementarladung ±e q = n e 4

5 Elektrische Ladungen Reibungselektrizität: Aufladung durch mechanische Reibung zwischen zwei unterschiedlichen Werkstoffen Negativ ß à Positiv Ebonit, Bernstein, Teflon, Holz, Stahl, Papier, Al, Seide, Katzenfell, Glas, Haar 5

6 1000 Sonnen zu einer Mücke! 6

7 Kraftwirkung zwischen Ladungen Kräfte auf bewegte Ladungen: Elektromagnetische Kräfte: hängen in komplizierter Weise von der Ladung und deren Bewegung ab. Frage: Wie kann man Kräfte zwischen vielen, evtl. bewegten Ladungen nach Betrag und Richtung ausrechnen? Antwort: indem man den Begriff Feld einführt. 7

8 Elektrisches Feld F = mg g = 9,81 m/s² 8

9 Elektrisches Potenzial Potenzielle Energie vom elektrischen Feld. Wie Analogiebetrachtung zwischen Gravitationsfeld und elektrischem Feld. Feldbilder einiger Punktladungen: a) Positive Ladung Q+ b) Negative Ladung Q- c) Zwei Positive Ladungen Q+ d) Eine positive Ladung Q+ und eine negative Q- 9

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11 Elektrischer Strom Was ist das? Bewegung der Ladungsträger! Warum fließt der Strom? Aufgrund einer elektrischen Spannung! Wie lange fließt der Strom? Solange eine Spannung existiert! In welche Richtung fließt der Strom??? Technische Stromrichtung (Bild): von + zu - Die Elektronen bewegen sich entgegengesetzt!!! Technische Stromrichtung 11

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13 Elektrischer Widerstand 13

14 Elektrischer Widerstand ET1, Kovalev 14

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16 Elektrischer Widerstand Höherer Widerstand à kleinerer Strom (lineare Widerstände!) 16

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19 Grundbegriffe des Gleichstromkreises Stromkreis hat mindestens 3 Teile: Erzeuger (Quelle, Batterie) Verbraucher (Glühlampe, Motor) Übertragung (Leitung, Kabel, Schalter) Verbraucher: Umwandlung von elektrischer Energie in nichtelektrische Erzeuger (Quelle): Umwandlung von nichtelektrischer in elektrische Energie Schaltzeichen werden für die Beschreibung der elektrischen Vorgänge benutzt 19

20 Beispiele für Schaltzeichen 20

21 Kennzeichnung von Spannungen und Strömen Zählpfeile mit folgender positiven Richtung: Spannungen: vom +Pol zu Pol Ströme: Bewegungsrichtung positiver Ladungsträger (von + zu -) Verbraucher: Zählpfeile für positive Spannung und Strom gleichgerichtet Erzeuger: Zählpfeile für positive Spannung und Strom entgegengerichtet 21

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23 Aufgaben 1.1 Grundsätzlich sollte bei der Bearbeitung von Aufgaben oder Problemstellungen zunächst immer die Schaltung skizziert werden. 1) Ein ohmscher Widerstand von 10 Ohm wird an eine Spannungsquelle von 100V angeschlossen. a) Bestimmen Sie den elektrischen Strom I durch den Widerstand. b) Wie ändert sich quantitativ der Strom I, wenn die Spannung um 10% erhöht wird? 2) Bei einer Spannungsquelle von 12V wird ein Entnahmestrom von 500mA gemessen. a) Bestimmen Sie den ohmschen Widerstand im Lastkreis. b) Die Versorgungsspannung fällt auf 10V ab. Wie muss sich quantitativ der Widerstand ändern, damit der Laststrom konstant bleibt? 3) Ein einfacher Stromkreis besteht aus einer idealen Spannungsquelle und einem idealen Widerstand. a) Wie ändert sich der im Stromkreis fließende Strom, wenn der Leitwert des Widerstandes halbiert wird? b) Wie ändert sich der Strom, wenn der Widerstand halbiert wird und sich die Versorgungsspannung verdoppelt? 23

24 Aufgaben 1.1 4) Ein Kupferleiter hat bei einer Temperatur von 20 C einen Widerstand von 10 Ohm. a) Um wieviel Prozent erhöht sich der Widerstand bei einer Temperaturerhöhung um 10K? b) Wie groß muß die Temperaturänderung sein, damit der Widerstand um 10% steigt? 5) Die im Bild eingezeichnete Glühbirne besitzt bei einer Nennspannung von 12V eine Leistung von 36W. Die Glühbirne wird über einen Schalter S an eine Batterie angeschlossen. Die Batterie hat einen Innenwiderstand von Ri=500 mohm Fragen: a) Wie groß ist der Widerstand R GB der Glühbirne? b) Wie groß ist der Strom I GB (im Nennbetrieb) durch die Glühlampe? c) Wie groß ist die Spannung Uq der Spannungsquelle, wenn die Lampe mit Nenn- spannung betrieben wird? d) Wieviel Energie wird in der Glühlampe umgesetzt, wenn sie 10 Stunden brennt? e) Wieviel Energie liefert während dieser Zeit die Batterie? 24