Grundgrößen der Elektrotechnik

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1 Grundgrößen der Elektrotechnik Theorie ALMM AUTONOMES LERNEN MIT MOODLE Verfasst von: Manuel Leitner

2 Der elektrische Stromkreis Schematische Darstellung eines Stromkreises: I elektrischer Strom U Spannung R Widerstand, Verbraucher (z.b. Glühbirne) ABBILDUNG 1: DARSTELLUNG EINES STROMKREISES Jeder Stromkreis führt nur dann Strom, wenn er auch geschlossen ist. Wird ein Stromkreis ohne Verbraucher geschlossen, führt dies zu einem Kurzschluss. Die elektrische Spannung, welche benötigt wird, damit ein Strom fließen kann, kommt beispielsweise von einer Batterie oder einem Generator. In Schaltplänen werden sogenannte Spannungsquellen mit folgendem Schaltsymbol gekennzeichnet: Im Schaltplan finden Sie dieses Symbol links mit der Bezeichnung 9V. Wie Sie aus Kapitel 1 bereits wissen, ist die Einheit der Spannung Volt (kurz: V). Diese Spannungsquelle liefert also eine (Gleich-)Spannung von 9 Volt, vergleichbar mit einer 9 Volt - Blockbatterie, welche in jedem Supermarkt erhältlich ist. ABBILDUNG 2: SCHALTSYMBOL BATTERIE Das Prinzip einer elektrischen Spannungsquelle liegt darin, dass es einen Elektronenüberschuss am Minuspol und einen Elektronenmangel am Pluspol gibt; dadurch kommt es zu einer Elektronenbewegung, welche wir als elektrischen Strom bezeichnen. In welche Richtung fließt nun aber der Strom? In der Technik spricht man von der sogenannten technischen Stromrichtung, wobei der Strom vom Pluspol zum Minuspol der Spannungsquelle fließt. Diese Regel wurde jedoch festgelegt, bevor man etwas über Elektronenbewegungen wusste. In der physikalischen Stromrichtung, welche die Elektronenbewegung bereits berücksichtigt, fließt der Strom genau umgekehrt, vom Minuspol zum Pluspol. 1

3 Größe Kurzzeichen Einheit Kurzzeichen Strom I Ampere A Spannung U Volt V Widerstand R Ohm Ω Prinzipiell muss aber nicht jeder Stromkreis geschlossen sein, um zu funktionieren. Es gibt auch offene Stromkreise wie beispielsweise Blitze oder eine Tesla Spule. Im unteren Bild wird grafisch dargestellt, die Entladung eines Blitzes erfolgt: I Elektronen Auch bei Tesla Spulen kommt es ohne einen geschlossenen Stromkreis zu einer Stromübertragung: ABBILDUNG 3: TESLA SPULE ABBILDUNG 4: TESLA SPULE 2

4 Grundgrößen Der elektrische Strom I: Unter dem Begriff elektrischer Strom versteht man die Bewegung elektrischer Ladungen. Damit der Strom, also die Ladungsträger (Elektronen) in einem geschlossenen Stromkreis fließen können, ist das Vorhandensein einer elektrischen Spannung maßgebend. Auf die Elektronen wird dadurch eine Kraft ausgeübt, wodurch ein Stromfluss erzeugt wird. Wie bereits in der oberen Tabelle ersichtlich, hat der Strom das Formelzeichen I und die Einheit Ampere (A). Benannt wurde die Einheit nach dem französischen Physiker und Mathematiker Andrè Marie Ampère ( ). Die wichtigsten Wirkungen des elektrischen Stromes sind die Wärmewirkung (Heizöfen, Kochplatten), die magnetische Wirkung (entsteht bei jedem stromdurchflossenen Leiter), die Lichtwirkung (Glühlampen), sowie die elektrolytische Wirkung (Akkumulatoren). Elementarladung: Jedes Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Im Kern befinden sich die Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral geladen), in der Atomhülle die Elektronen (negativ geladen). Als Ganzes ist jedes Atom neutral geladen, solange die Ladungen ausgeglichen sind. Als Elementarladung wird die kleinste vorkommende Ladung bezeichnet. Sie wird mit e abgekürzt und beträgt 1,602*10-19 As. Protonen besitzen die positive Elementarladung e +, Elektronen die negative Elementarladung e -. Die elektrische Spannung U: Damit sich die Ladungsträger (Elektronen) bewegen können, wird eine elektrische Spannung als Kraftgeber benötigt. Am Pluspol einer elektrischen Spannungsquelle gibt es einen Elektronenmangel, am Minuspol einen Elektronenüberschuss, dazwischen existiert eine Potentialdifferenz, welche als elektrische Spannung bezeichnet wird. Die Einheit der elektrischen Spannung ist Volt (V). Bekannte Spannungsquellen sind beispielsweise eine Taschenlampenbatterie (4,5 V), eine Blockbatterie (9 V) oder eine Autobatterie (12 V). Spannung kann z.b. durch Induktion (Bewegung von elektrischen Leitern in einem Magnetfeld), chemische Wirkung (z.b. bei Akkumulatoren), Licht (z.b. bei Solarzellen), Wärme (z.b. Temperaturmessung mit einem Thermoelement), Piezoelektrizität (Zug oder Druck an einem Quarzkristall, z.b. bei einer Waage oder einem Feuerzeug) oder Reibung erzeugt werden. 3

5 Der elektrische Widerstand R: Der elektrische Widerstand wird im Kapitel 04_Ohmsches Gesetz genauer beschrieben, da er nicht zu den elektrischen Grundgrößen zählt. Dennoch ist es wichtig zu erwähnen, dass sich der elektrische Widerstand durch die Division der elektrischen Spannung U und dem elektrischen Strom I ergibt. Die Einheit des Widerstandes ist Ohm (Ω). Die elektrische Ladung Q: Wenn ein Strom I gleichmäßig über eine Zeit t fließt, kann die bewegte Ladung berechnet werden. Diese wird auch als Elektrizitätsmenge bezeichnet. Dazu verwendet man folgende Formel: Q = I * t Q Ladung in C (Coulomb) I Strom in A (Ampere) t Zeit in s (Sekunden) Werden die zwei Größen I*t, mit ihren Einheiten Ampere und Sekunden multipliziert, ergibt sich die Einheit der elektrischen Ladung - Amperesekunden (As). Eine Amperesekunde entspricht einem Coulomb (C). Einheitsgleichung: Q = I * t = 1A * 1s = 1 As = 1C Außerdem ist die Ladung Q ein Vielfaches der Elementarladung e. Daraus folgt: Q = n e * e Q Ladung (Elektrizitätsmenge) in C n e Anzahl der Elementarladungen e Elementarladung (1,602*10-19 As) Die Stromdichte J: Als Stromdichte bezeichnet man jene Größe, welche sich durch die Division des Stroms durch den Querschnitt des Leiters ergibt. J = I / A J Stromdichte in A/mm² I Leiterstrom in A A Leiterquerschnitt in mm² Einheitsgleichung: J = I/A = 1 A/ 1 mm² = 1 A / mm² Verwendet wird die Stromdichte als Maß für die thermische Beanspruchung eines Leiters. Großer Leiterquerschnitt (A) kleine Stromdichte (J) geringe Erwärmung Kleiner Leiterquerschnitt (A) große Stromdichte (J) starke Erwärmung 4

6 Spannungs- bzw. Stromarten Gleichstrom, DC (engl. direct current): In Stromkreisen bzw. elektrischen Schaltungen, fließt Gleichstrom immer in die gleiche Richtung (daher Gleichstrom). Symbol: Häufige Anwendungsbereiche für Gleichstrom sind z.b. der Betrieb von Taschenlampen, Akkumulatoren, U-Bahnen, Straßenbahnen usw. Eine 9V - Blockbatterie liefert beispielsweise 9V Gleichstrom. Wechselstrom, AC (engl. alternating current): Im Gegensatz zum Gleichstrom, fließt Wechselstrom mit ständig wechselnder Stärke und Richtung. Mit Hilfe von Transformatoren kann er einfach im Spannungswert und Wirkungsgrad verändert werden. (z.b. Steckdose: 230 V AC) Symbol: Vergleich zwischen Gleich- und Wechselspannung: 5 ABBILDUNG 5: GLEICH- UND WECHSELSPANNUNG IM VERGLEICH

7 Literaturverzeichnis: 1. (Zugegriffen: ) 2. Franz Deimel, Andreas Hasenzagl, Franz Krikava, Hans Ruhswurm, Josef Seiser (1964): Grundlagen der Elektrotechnik, Auflage 13. (2008), Österreich Abbildungsverzeichnis: Abbildung 1: (Zugegriffen: ) Abbildung 2: (Zugegriffen: ) Abbildung 3: (Zugegriffen: ) Abbildung 4: (Zugegriffen: ) Abbildung 5: nnung.htm (Zugegriffen: ( ) 6