Grundlagen der Elektrotechnik

Transkript

1 2017/2018 Prof. Dr. A. Strey DHBW Stuttgart, Informatik

2 Inhalt 1 Physikalische Größen Elektrischer Strom und Stromdichte Elektrische Spannung Widerstand und Leitfähigkeit Elektrische Energie und Leistung Spannungs-/Stromquelle 2 Gleichstromkreise Kirchhoffsche Gesetze Reihen-/Parallelschaltung Maschenstromverfahren Ersatz-Spannungsquelle und Ersatz-Stromquelle Nichtlineare Stromkreise 2

3 Inhalt (Forts.) 3 Elektrisches Feld Ladung Elektrische Feldstärke Elektrischer Fluss Elektrostatische Felder Kapazität Kugel- und Plattenkondensator Energie im elektrostatischen Feld 4 Magnetisches Feld Magnetische Feldstärke Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte Induktion Selbstinduktion und Induktivität Spule Energie im magnetischen Feld 3

4 Inhalt (Forts.) 5 Schaltvorgänge im Gleichstromkreis Lade-/Entladevorgang einer Kapazität Schaltvorgänge bei einer Induktivität 6 Grundlagen der Wechselstromtechnik Sinusförmige Signale Zeigerdarstellung Darstellung mit komplexen Zahlen komplexe Widerstände 7 Wechselstromkreise Grundschaltungen Leistung im Wechselstromkreis Übertragungsfunktion Ortskurve Tief-/Hochpass 4

5 Inhalt (Forts.) 8 Schwingkreise Reihen- und Parallelschwingkreis Resonanz Frequenzgang gedämpfter Schwingkreis 5

6 Lernziele Kenntnis aller wichtigen Elektrotechnischer Größen und deren Einheiten Verständnis der Funktionsweise und Einsatzgebiete von passiven Bauelementen Beherrschung der Gesetze und Berechnungsverfahren für Netzwerke in Gleichstrom- und Wechselstromkreisen Anwendung der Gesetze und Berechnungsverfahren auf gegebene Problemstellungen zur Berechnung einer Lösung 6

7 Organisatorisches Vorlesung: Di., 10:00-11:30 Uhr und Fr., 09:15-10:45 Uhr Übungen in Vorlesung integriert mit Rechenaufgaben, je Woche mindestens 1 Aufgabenblatt Taschenrechner sinnvoll! Kein Skript! Formelsammlung wird kapitelweise bereitgestellt unter Note durch Klausur (90 Min.) in der Woche vom bis mit Verständnisfragen und Rechenaufgaben Bitte keine Smartphones und Laptops während Vorlesung! 7

8 Klausur Klausur (90 Min.) besteht aus 2 Teilen: Teil A: Verständnisfragen ohne Hilfsmittel Bearbeitung 30 Min. ca. 1/3 der Punkte Teil B: Rechenaufgaben zugelassene Hilfsmittel: Taschenrechner, Formelsammlung zur Vorlesung Bearbeitung 60 Min. ca. 2/3 der Punkte 8

9 Literatur Gert Hagmann,, 16. Auflage, Aula-Verlag, 2013 Franz Möller, Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau,, 23. Auflage, Springer Vieweg, 2013 Wolf-Ewald Büttner,, Band 1 und Band 2, 2. Auflage, Oldenburg-Verlag, 2009 (auch als Online ebook in DHBW Bibliothek!) Steffen Paul und Reinhold Paul, und Elektronik, Band 1: Gleichstromnetzwerke, 5. Auflage, Springer Vieweg, 2014 (auch als Online ebook in DHBW Bibliothek!) 9

10 Nomenklatur Physikalische Größen in Kursivschrift, Beispiel: Länge l Einheiten in normaler (nicht kursiver) Schrift, es werden hier überwiegend SI-Einheiten verwendet (SI = Systeme Internationale d'unités ; in Einheitengleichungen tritt bei SI- Einheiten kein von 1 verschiedener Zahlenfaktor auf) Jede physikalische Größe kann durch Zahlenwert und Einheit dargestellt werden, Beispiel: l = 17 m Bei sehr großen bzw. sehr kleinen Werten verwendet man dezimale Vielfache bzw. dezimale Teiler (auch als SI-Präfixe bezeichnet) Beispiel: 1 nm = 10-9 m Name Wert Name Wert Kilo k 10 3 Milli m 10-3 Mega M 10 6 Mikro µ 10-6 Giga G 10 9 Nano n 10-9 Tera T Piko p Peta P Femto f

11 Einheiten Einige SI Basis-Einheiten (B) und abgeleitete Einheiten (A): Art Größe Einheit Anmerkung B Länge l Meter m B Zeit t Sekunde s B Masse m Kilogramm kg B El. Stromstärke I Ampere A B Temperatur T Kelvin K T [K] = T [ C] + 273,15 A Geschwindigkeit v Meter/Sekunde m/s A Kraft F Newton N 1 N = 1 kg m / s 2 A El. Spannung U Volt V 1 V = 1 N m / A s A Energie, Arbeit W Joule J 1 J = 1 N m A Leistung P Watt W 1 W = 1 V A = 1 N m / s 11

12 Strom und Ladung Bei konstanter Stromstärke I fließt während einer Zeit t durch Querschnitt A eines Leiters die Ladung Q = I t Einheit der Ladung heißt Coulomb: 1 C = 1 A s Kleinstmögliche Ladung ist Elementarladung (Ladung eines Elektrons): e = 1, C Elektrische Stromdichte: J = I / A SI-Einheit der elektrischen Stromdichte: A / m 2 Elektronendichte n gibt die Anzahl frei beweglicher Elektronen je Volumen an, ist eine materialabhängige Konstante z.b. für Kupfer: n = 8, /mm 3 Mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen im Leiter: v = I / (n e A) 12

13 Spannung Fließt ein Strom durch einen Leiter, so erwärmt sich dieser (geringfügig). Die entstehende Wärmeenergie ist proportional zur Ladung Q, die durch den Querschnitt des Leiters fließt: W ~ Q bzw. W = U Q Die Proportionalitätsgröße U heißt Elektrische Spannung, Einheit der elektrischen Spannung heißt Volt: 1 V = 1 J / A s Eine Elektrische Spannung zwischen 2 Punkten bewirkt einen Strom, dessen Richtung durch eine Pfeil gekennzeichnet ist Eine Stromquelle mit Pluspol (+) und Minuspol ( ) kann einen Strom von + nach liefern (technische Stromrichtung) 13

14 Widerstand Elektrischer Widerstand: R = U / I Einheit des Widerstands heißt Ohm: 1Ω = 1 V / A Kehrwert des Elektrischen Widerstands heißt Elektrischer Leitwert: G = 1 / R = I / U Einheit des Leitwerts heißt Siemens: 1 S = 1 A / V Spezifischer Widerstand ρ ist eine Materialkonstante, z.b. für Kupfer gilt: ρ = 0, Ωm Es gilt: R = ρ l / A Kehrwert des spezifischen Widerstands heißt Leitfähigkeit: κ = 1 / ρ, Einheit von κ ist S/m Elektr. Widerstand ist temperaturabhängig, für jedes Material existiert ein (linearer) Widerstands-Temperaturkoeffizient α : R T2 = R T1 [1 + α (T2 T1)], Einheit von α ist 1/K 14

15 Energie und Leistung Elektrische Energie: W = U Q = U I t, Einheit der Energie ist Joule: 1 J = 1 V As Elektrische Leistung: P = W / t = U I, Einheit der Leistung ist Watt, 1 W = 1 V A = 1 J / s Das Verhältnis von abgegebener Leistung P 2 zu zugeführter Leistung P 1 heißt Wirkungsgrad: η = P 2 / P 1 Die Verlustleistung beträgt: P V = P 1 P 2 15

16 Spannungs- und Stromquelle Reale Spannungsquelle hat Innenwiderstand R i U = U q I R i Reale Stromquelle hat Innenleitwert G i I = I q U G i R i (bzw. G i ) und U q (bzw. I q ) lassen sich durch Leerlauf- oder Kurzschlussmessung ermitteln Bei beiden Quellen gilt für Lastwiderstand R a : U = I R a 16