Telematik. Workshop. HTMLworkshop

Transkript

1 Telematik Workshop HTMLworkshop

2 Der elektrische Strom PHotoworkshop

3 Der elektrische Strom Das Kupferatom 1 Valenzelektron (N-Schale) Kleine Bindungskraft zum eigenen Atom Kleinster Wärmeanstoss vom Atomgitter, E- springt weg. E-vagabundiert von Atom zu Atom Freies Elektron und damit die Grundlage des elek. Stromes Grössenvergleich Vergrösserung X 2 Billiarden Elektron = Sandkorn Enfernung K-zu AK = 300m AK = Apfel Gesamt Cu-Atom Ø = 2km

4 Der elektrische Strom Strom und Stromrichtung Durch die Druck- und Sogkräfte der elektrischen Spannung fließen die Elektronen von Minus nach Plus = physikalische Stromrichtung. Als man die genauen Zusammenhänge noch nicht kannte, hatte man jedoch die Stromrichtung bereits festgelegt und zwar von Plus nach Minus = technische Stromrichtung. 1 Ampere 6,23 Trillionen Elektronen pro Sekunde = Elektronen pro Sekunde!

5 Der elektrische Strom Die Wärmewirkung Fliesst Strom durch einen Leiter, so wird der Leiter warm bzw. heiss. Begründung Wärme = Schwingen des Atomgitters ; Stromfluss = Elektronenfluss. Die Elektronen zwängen sich durch das Atomgitter und bringen dieses zum Schwingen. Je größer der elektrische Widerstand ist und je grösser der Strom ist, umso heisser wird der Leiter. Das Bild links zeigt symbolisch die fliessenden freien Elektronen, die sich durch das Atomgitter zwängen und dieses zum Schwingen anregen.

6 Der elektrische Strom Anwendungen 1. Wärmewirkung: Eine Glühlampe wandelt die elektrische Energie mit ca. 90% in Wärmeenergie um. Nur ca. 10% werden in Lichtenergie umgesetzt. 2. Lichtwirkung: Licht entsteht entweder durch glühende Drähte wie bei der Glühlampe, aber auch durch stromerregte Gase oder durch stromerregte Halbleiter. Wirkungsweise: Einschalten; Glimmlampe erwärmt Thermokontakt schliesst. Strom durch die Drossel und die Heizfäden (Elektroden), erhitzt das Gas, erleichtert das nachfolgende Zünden. Der Themokontakt überbrückt die Glimmlampe diese erkaltet Thermokontakt öffnet sich wieder Stromkreis ist unterbrochen in der Drossel wird bis 1000V eine Spannungsspitze erzeugt (induziert) die Leuchtstofflampe kann zünden.

7 Der elektrische Strom Anwendungen Die Leuchtdiode LED Die LED besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter und einer sehr dünnen p-leitenden Halbleiterschicht. Die Grenzschicht (orange) wird mit freien Ladungsträgern Elektronen überschwemmt. Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die p-schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen. Schon bei kleinen Stromstärken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar. Die Lichtstärke wächst proportional mit der Stromstärke. Die entscheidenden Vorteile von LED: * entwickeln keine nennenswerte Wärme * verbrauchen bis zu 90% weniger Strom * bis zu Stunden Lebensdauer. Osram hat eine Leuchtdiode entwickelt, die erstmals eine Leuchtkraft von mehr als 1000 Lumen hat. Mit dieser Leistung übertrifft der kleine Punktstrahler die Helligkeit einer 50-Watt-Halogenlampe und ist so für den breiten Einsatz in der Allgemeinbeleuchtung geeignet.

8 Der elektrische Strom Anwendungen Magnetische Wirkung Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Diese Entdeckung hat um 1820 der Physiker Oersted gemacht. Je höher die Stromstärke ist, desto stärker ist das magnetische Feld. Die Polarisierung des Feldes hängt von der Stromrichtung ab und kehrt sich bei Änderung der Stromrichtung um. Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand, sodass der Daumen nach oben gerichtet in Stromrichtung zeigt, geben die Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Die rechte Abbildung zeigt das Magnetlinienfeld um einen stromdurchflossenen Leiter.

9 Der elektrische Strom Anwendungen Magnetische Wirkung Kräfte wirken aber auch zwischen stromführenden Leitern. Fliesst durch zwei parallele Leiter ein Strom, dann wechselwirken die Magnetfelder der beiden Leiter miteinander. Je nach Stromrichtung stossen sich die Leiter ab oder ziehen sich an.

10 Der elektrische Strom Anwendungen Magnetische Wirkung Wickelt man einen Leiter auf, dann erhält man eine Spule. Die stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld. Am Leitereingang ist der Nordpol am Leiterausgang der Südpol Wird in die Spule ein Eisenstab eingelegt, dann wird das Magnetfeld konzentriert. Diese Magnetische Kraft wird bei Relais eingesetzt, elektromechanische Schalter. Mit dem Magnetfeld wird der Anker aus Metall angezogen Und die Kontaktfeder schliesst

11 Der elektrische Strom Anwendungen Magnetische Wirkung Das Magnetspulenprinzip ermöglichte, dass elektrische Tonsignale hörbar werden. Im Lautsprecher wird ein Permanent - und ein Elektromagnet benötigt, damit die elektrischen Schwingungen den Trichter in Bewegung setzen und dadurch die Luft zum Schwingen bringen. Die so erzeugten Luftdruckwellen, Schallwellen, werden vom Trommelfell des Ohrs übernommen und in Tonreize Umgewandelt. Je leistungsstärker der Lautsprecher desto höher muss der Signalstrom sein.

12 Der elektrische Strom Anwendungen Magnetische Wirkung Der Elektromotor ist wahrscheinlich die weitverbreitetste elektromagnetische Konstruktion. Aufbau: 1 Stator, Feldmagnet mit Nord und Südpol 2 Rotor mit wechselndem Nord - und Südpol 3 Kommutator Stromwender 4 Schleifer, Bürste Stromzuführung a) Schaltet man den Strom ein, so wird in der Rotorspule (2) ein Magnetfeld erzeugt. Der obere Pol des Rotors wird zu einem Nordpol. Ungleiche Pole ziehen sich an: Der Rotor dreht. b) Jetzt hat der Rotor keinen Strom und keine Magnetkraft. Wegen des Schwungs dreht er weiter. In diesem Moment wird beim Kommutator (3) die Stromrichtung gewechselt. c) Durch das Umpolen sind jetzt 2 Südpole beieinander. Diese stossen sich ab, und die Drehung geht weiter. usw. wieder bei a) Die Einrichtung, welche im richtigen Augenblick die Stromrichtung wechselt, heisst «Polwender» und besteht aus zwei Halbringen und zwei Kohlestiften, welche als Schleifkontakte den Strom auf die Spule übertragen.

13 Die elektrische Spannung Ohne Spannung kann kein Strom fliessen! Veranschaulichung der elektrischen Spannung mit Wasser Zwei verbundene Gefässe sind unterschiedlich mit Wasser gefüllt. Trennwand geschlossen. Es kann kein Ausgleich stattfinden. Links von der Trennwand ist der Druck höher. Ähnlich ist es mit elektrischen Ladungen: Wenn ungleiche Verteilungen von Ladungen (Potentiale) vorhanden sind und der Schalter ist offen, dann findet kein Ladungsaustausch statt. Es fliesst kein Strom! Links vom Schalter ist die Spannung höher. Ist also auf der linken Seite mehr Wasser / Elektronenüberschuss vorhanden und die Trennwand / Schalter ist offen, dann fliesst Wasser / Strom bis der Wasserpegel / Elektronenladung ausgeglichen ist. Es hat ein Druck - Ladungsaustauschstattgefunden Die elektrische Spannung ist ein Mass dafür, wie hoch dieser Ladungsunterschied zwischen zwei Punkten ist. Je höher die Spannung ist desto stärker ist der Stromfluss Die Wasserhöhe entspricht der elektrischen Spannungshöhe

14 Die elektrische Spannung Spannungsarten: Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Spannungsarten. Gleichspannung und Wechselspannung

15 Die elektrische Spannung Energiespeicher verschiedene Spannungslagen: 12V Akku für Verschiedenes Elektrolyt-Kondensator (Elektronik) Verschieden Gleichspannungsquellen: Modellbau LiPo Akku Trockenbatterien Gr. D,C, 9V, AAA, AA Solarzellen Akku für Fotoapparat LapTop-Akku Autobatterie 12V

16 Die elektrische Spannung Spannungserzeuger und Energietransport: Verschiedene Wechselspannungsquellen: Hochdruck-Kraftwerk Hochspannungsleitung 380kV Diesel Notstromgruppe AKW Windkraftwerk Nufenen 230V Steckdose

17 Elektrisches Verhalten Leiter, Halbleiter und Nichtleiter: Elektrische Leiter (Konduktor): Besitzt frei bewegliche Ladungsträger Anzahl der Elektronen auf ihrer Aussenschale Metalle bilden eine Kristallgitterstruktur, in der die Elektronen nur schwach gebunden sind Silber, Kupfer Die Leitfähigkeit hängt auch von der Temperatur ab. Elektrische Nicht-Leiter (Isolator) Elektronen fest an die Atome gebunden Kunststoffe, Glas, Keramik, trockenes Holz, reines Wasser (pures H2O) oder trockene Luft.

18 Elektrisches Verhalten Leiter, Halbleiter und Nichtleiter: Halbleiter: Stark temperaturabhängig Raumtemperatur sind sie gewöhnlich nicht leitend Die Leitfähigkeit lässt sich durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt beeinflussen Heissleiter (NTK) Heissleiter Germanium und Silizium Einsatz: - Temperaturmessung - Überspannungsschutz - Dioden - Transistoren...

19 Der elektrische Widerstand Der Ohmische Widerstand: Wirkung und Abhängigkeitsgrössen: Der elektrische Widerstand ist ein (Engpass für den Elektronenfluss) Folgende Grössen beeinflussen den Widerstandswert: - Spezifischer Widerstand φ - Abmessungen (Länge, Breite und Höhe) - Technische Einheit: Ohm Ω Bauarten: - Kohleschichtwiderstand - Drahtwiderstand - SMD

20 Der elektrische Widerstand Berechnungen: Der elektrische Widerstand wird um so grösser, je länger und je dünner die Leitung ist! Beispiele für spezifischen Widerstand ρ Material ρ in (Ω*mm²)/m Silber Kupfer Aluminium Widerstand = ρ * Länge l Fläche A Berechnungsbeispiele a) Welchen Widerstand hat ein Kupferkabel, welches einen Querschnitt von 5mm und eine Länge von 10m hat. b) Wie lange ist eine Aluminiumleiterschiene, welche einen Widerstand von 1.8 Ω aufweist. Die Abmessungen betragen: Breite = 1 cm; Höhe 2 cm.

21 Der elektrische Widerstand Messen mit Ohmmeter: Mit dem Multimeter wird elektrisch der Wert des Widerstandes gemessen. Messübung: a) Messen Sie den Widerstand eines Leistungswiderstand. b) Messen Sie den Widerstand eines 5 Meter langen Kupferkabels.

22 Der elektrische Stromkreis Der Stromkreis - Verbraucher - Spannungsquelle... (optional Schalter) - Geschlossener Stromkreis ein aus

23 Der elektrische Stromkreis Zusammenhänge im Stromkreis Höhere Spannung Begründung: Lampe leuchtet heller es fliesst mehr Strom Spannung >> Strom Lampe mit mehr Widersand Begründung: Lampe leuchtet schwächer es fliesst weniger Strom Widerstand >> Strom Strom = Spannung Widerstand

24 Der elektrische Stromkreis Zusammenhänge im Stromkreis Der Widerstand (technisches Formelzeichen R) wird in Ohm [Ω] angegeben. Die Spannung (technisches Formelzeichen U) wird in Volt [V] angegeben. Der Strom (technisches Formelzeichen I) wird in Ampere [A] angegeben. Strom = Spannung Widerstand U >> I = >> U = R*I R >> R = U I Eselsbrücke U=R*I sprich Uri

25 Der elektrische Stromkreis Zusammenhänge im Stromkreis I: Strom [A] U: Spannung [V] R: Widerstand [Ω] I = U R U = R * I R = U I Berechnungsbeispiele a) Welcher theoretische Strom fliesst durch eine Kochplatte, welche einen Widerstand von 32 Ω aufweist und an 230V betrieben wird? b) Sie messen bei 11kV den Heizungsstrom von 0.5 A. Welchen Widerstandswert hat die Heizung? c) Bei einer Heizung messen Sie einen Widerstand von 2.8 Ω. Auf welchen Wert wird sich der Strom einstellen, wenn die Heizung an V angeschlossen wird?

26 Der elektrische Stromkreis Spannung (Druck auf die Elektronen) ein aus Messübung a) Messen der Spannung einer Batterie. b) Messen der Spannung an der Steckdose!!!

27 Der elektrische Stromkreis Strom (Anzahl der Elektronen pro Zeiteinheit) ein aus Um den Strom zu messen, muss die Leitung aufgetrennt werden um das Ampermeter hinein zuschalten!

28 Passive Bauteile: Widerstand (Einheit in Ohm Ω)

29 Passive Bauteile: Kondensator (Einheit in Farad F) Verschiedene Typen Elektrolytkondensatoren (kurz Elkos genannt) Die Kapazitätswerte liegen im Bereich von wenigen pf (Pico-Farad) bis zu in den Farad-Bereich von 3.5 F. Aufbau des elektrischen Feld im Elko. Elektronen fliessen solange, bis die linke Platte voll und die rechte leer ist. Dann hat der Elko die gleiche Spannung wie die Batterie Elko Lade- / Endladeschaltung LED 1 brennt wenn der Elko geladen wird (Strom fliesst hinein) und LED 2 brennt, wenn der Elko entladen wird (Strom fliesst aus dem Elko)

30 Aktive Bauteile: Diode Durchlassrichtung Ventil Sperrrichtung Die Diode lässt sich mit der Funktion eines mechanischen Ventils vergleichen. In eine Richtung lässt das Ventil z.b. Luft durch in die andere Richtung wird gesperrt. So lässt die Diode von + nach Strom durch, andererseits wird der Strom gesperrt. Der + Anschluss heisst Anode, der Anschluss Kathode.

31 Aktive Bauteile: Relais Schaltzeichen Das Relais ist ein Elektromechanischer Schalter. Über den Steuerkreis wird der Arbeitskreis gesteuert. Ein elektrisch erzeugtes Magnetfeld zieht ein Metall an, das einen Schalter schliesst, so dass der Arbeitsstromkreis geschlossen wird.

32 Aktive Bauteile: Relais ON OFF Nordpol Steuerkreis Südpol Lastkreis

33 Aktive Bauteile: Relais Steuerkreis Lastkreis

34 Aktive Bauteile: Relais

42 Aktive Bauteile: Relais K1 K1 K1 K2 K2 K2 K1 K2

48 Aktive Bauteile: Relais S S Q R R Q