Kurzbeschreibung des Faches Elektrotechnik

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1 Kurzbeschreibung des Faches Elektrotechnik Elektrotechnik ist die Anwendung der Energieform Elektrizität. Teilgebiete der Elektrotechnik: Klassische Energietechnik/Starkstromtechnik: Erzeugung Verteilung Verwendung elektrischer Energie Klassische Nachrichtentechnik/Schwachstromtechnik: Erfassung Aufbereitung Übermittlung Wiedergabe von Information Elektronik: Informationsverarbeitung elektrischer Signale unter Anwendung des Elektronenflusses in Festkörpern, Gasen, Flüssigkeiten und im Vakuum.

2 Größengleichungen Beschreibung physikalischer Gesetze und Zusammenhänge durch Gleichungen Physikalische Größe: Quantifizierbares Kennzeichen (Eigenschaft, Merkmal) einer physikalischen Erscheinung Leistung = (Spannung) 2 Widers tan d Verwendung von Symbolen für physikalische Größen P = U R 2 Physikalische Größe = Zahlenwert x Einheit

3 MKSA-System Basisgröße Formelzeichen Basiseinheit Kurzzeichen Länge l Meter m Masse m Kilogramm kg Zeit t Sekunde s elektrische Stromstärke i, I Ampere A Temperatur T Kelvin K Lichtstärke I v Candela cd Stoffmenge Mol Mol mol wurde 1970 unter dem Namen SI-System (Systeme Internationale d'unites) zur weltweit gültigen Norm erhoben

4 Dezimale Vielfache oder Teile Bezeichnung Symbol Faktor Bezeichnung Symbol Faktor Femto f Peta P Pico p Tera T Nano n 10-9 Giga G 10 9 Mikro 10-6 Mega M 10 6 Milli m 10-3 Kilo k 10 3 Zenti c 10-2 Hekto H 10 2 Dezi d 10-1 Deka D 10 1

5 Graphische Darstellungen und Diagramme

6 Eigenschaften elektrischer Energie Betriebssicherheit Leichte Steuerbarkeit und Regelbarkeit Speichermöglichkeit von elektrischer Energie und elektronischen Daten Leichte Transportierbarkeit Einfache Übertragungsfähigkeit für Informationssignale Gute Messbarkeit Leichte Teilbarkeit Leichte Konzentrierbarkeit Leichte Transformierbarkeit

7 Aufgaben Drücken Sie die die folgenden Zahlenwerte der physikalischen Größen vorteilhaft aus: C= 0, F R=22,45 x 10 5 Ω U= 45000V I=0,00234A L=0,0054 x 10-3 H Pmax= 4534 x 10 3 W Der Weg s=100m wird in t=50s bewältigt. Berechnen Sie die Geschwindigkeit v in m/s und in km/h.

8 Bohrsches Atommodell Protonenmasse: 1,67 * g Elektronenmasse 9,1 * g Neutronen weisen das gleiche Gewicht wie Protonen auf. geringes Gewicht Elektronen -> sehr leicht zu beschleunigen Elektronenumlaufbahnen etwa 104 mal Durchmesser des Atomkerns.

9 Neutrales Kupferatom Der Atomkern enthält Die Atomhülle besteht aus 34 Neutronen, elektrisch neutral 29 Protonen, Träger der positiven Ladung +e. 29 Elektronen, Träger der negativen Ladung -e, verteilt auf vier Energie-Niveaus (Schalen). Darin ist e die Elementarladung. Das ist die kleinste mögliche Ladungsmenge: e = 1,6 * Coulomb.

10 Ruhende Ladung Eine elektrische Ladung übt auf eine andere Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen eine anziehende Kraft F aus. Eine elektrische Ladung übt auf eine andere Ladung mit gleichem Vorzeichen eine abstoßende Kraft F aus.

11 Bewegte Ladung Bewegen sich in zwei parallelen Leitern Ladungen gleichen Vorzeichens in gleicher Richtung, so wirken zwischen den Leitern anziehende Kräfte. Bewegen sich in zwei parallelen Leitern Ladungen gleichen Vorzeichens in zueinander entgegengesetzter Richtung, so wirk-en zwischen den Leitern abstoßende Kräfte. 1 Coulomb = 1 Ampere mal 1 Sekunde 1 C = 1 A s

12 Grundlagen des elektrischen Stromkreises Ladungserhaltungssatz: In einem geschlossenen System, über dessen Grenzen kein Ladungsausgleich stattfindet, bleibt die Summe der elektrischen Ladung konstant. Elektrischer Strom: Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern. Stromrichtung am stromdurchflossenen Leiter Stromstärke I = Q t I = Q t i lim = t 0 Q t = dq dt

13 Elektrostatisches Feld Kraftwirkungen im elektrischen Feld des Plattenkondensators r E = r F Q Kraftwirkungen auf Probeladungen

14 Darstellung elektrischer Felder Feldlinienverlauf beim Plattenkondensator Inhomogenes elektrisches Feld

15 Energie des elektrischen Feldes Bewegung einer Ladung im elektrischen Feld dw = r r F ds Bewegung einer Ladung in Richtung des Kraftvektors Freisetzung von W 12 W 12 = x x 2 1 = Q dw = x x x 2 1 F(x) dx E(x) dx = W - W W x 2 1

16 Elektrische Spannung Aufgewendete Energie mit U 12 = Q = E(x) dx U12 = V (x1) - V (x2 x x 2 W12 Energie U12 = Spannung = Q Ladung Damit hat jeder Punkt im Raum ein auf die Ladung bezogenes Energieniveau; das Potenzial V. Die Differenz zweier Potenziale V 1 und V 2 nennt man Spannung U x E(x) dx = U ) Q = U W U quasi auf Ladung bezogene aufgewendete Energie x 2 1 I t.

17 Ohmsches Gesetz dq I = = n dq dt e = n κ n e µ. = e e dv = n e e A v d e = n e A v e d dt. e A µ E = κ A E. S = I A. S =κ* E E: Elementarladung 1,6 *10-19 As µ: Elektronenbeweglichkeit Κ: spezifische Leitfähigkeit S: Stromdichte Vd: Driftgeschwindigkeit ne: freie Elektronen /cm³ I = S A = κ E A = I = U G κ A l U = G U U = I R

18 Elektrischer Widerstand R = 1 G = l κ A = ρ l A Einheit :Ohm ( Ω ) : 1Ω = 1V. 1A Gebräuchliche Einheit des spezifischen Widerstands Gebräuchliche Einheit des spezifischen Leitwerts Ωmm 2 m S m 2 mm

19 Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands ρ (T) = ρ0 (1+ α T ). Darin ist: ρ (T) ρ 0 α T = T - T 0 der spezifische Widerstand bei der Temperatur T der spezifische Widerstand bei der Bezugstemperatur T 0 der Temperaturkoeffizient die Temperaturdifferenz zur Bezugstemperatur T 0

20 Tieftemperatureffekt - Supraleitung Unterhalb kritischer Temperatur Tk sinkt ρ schneller als linear. Bei Sprungtemperatur Ts (bei Metallen ca K) springt ρ auf fast unmeßbar kleine Werte -> Supraleitfähigkeit

21 Elektrische Eigenschaften metallischer Werkstoffe Werkstoff κ ρ α S m / mm 2 Ω mm 2 / m 1 / K Silber 60,6 0,0165 3, Kupfer für Leitungen 56,2 0,0178 3, Gold 44,0 0,0227 4, Aluminium, weich 36,0 0,0278 3, Nickel , ,11 3, Eisen ,1... 0,14 4, Manganin 2,3 0,43 0, Konstantan 2, ,

22 Strom-Spannungs-Kennlinie ohmscher Widerstände R = P U I P P

23 Strom-Spannungs-Kennlinie eines nichtlinearen Widerstandes U R = lim d U 0 I = du di

24 Aufgaben: 1. Ein NiMH-Akku der Bauform AAA wird zu 70% entladen. Die Kapazität des Akkus ist mit 900 mah angegeben. Wie viele Elektronen sind durch den Verbraucher geflossen? 2. In einem Verbraucher werden je Betriebsstunde 1,2 kwh elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Die Quelle liefert eine Spannung von 230 V. Diese wird über einen Stromgenerator erzeugt, der 75% der mechanischen Energie in elektrische Energie umwandeln kann. Welche Ladungsmenge wird innerhalb von drei Stunden im Stromkreis transportiert und welche mechanische Gesamtenergie wird in diesem Zeitraum aufgewendet?

25 Aufgabe Gegeben ist die folgende Verschaltung von Spannungsquellen. a) Markieren Sie an den einzelnen Markern der Schaltung die Spannungen gegen die Bezugsspannung b) bestimmen Sie den Strom durch den Widerstand.

26 Aufgaben 1. Bei welcher Temperatur ist der Widerstand eines Al-Drahtes nur noch halb so groß wie bei 50 C? 2. Der Widerstand eines Cu-Drahtes beträgt bei 55 C 100Ω. Welchen Widerstand weist der Draht bei -10 C auf? 3. Ein vorher entladener Akkumulator wird drei Stunden lang mit 10 A geladen. Der Ladewirkungsgrad beträgt η = 0,8. Wie lange kann der Akku anschließend mit einem Konstantstrom von 1,5 A entladen werden? Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf des Stromes und der transportierten Ladung in Diagramme ein. 4. Erarbeiten Sie sich folgende Themen: PT100, PT1000

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