Natürlicher Magnetismus, Spule und Elekromagnetismus, Gleich- und Wechselstrom

Transkript

1 Erholung ist angesagt, wir lesen uns langsam in die Welt des Magnetismus ein. Siehe: Wähle AFU-Kurs und starte Lektion Nr. 6 Dann spielen wir mit go Portalseite DWU. Dort auswählen: Magnetismus und am linken Rand die pem001 bis apem003 die Bilder genießen, apem... enthält jeweils die Animation. Dann zurück zur Portalseite und Elektromagnetismus 28x wählen, dort pem001 pem102 pem110 apem110 Animation ansehen. pem111 apem111 Animation ansehen pem112 apem112 Animation ansehen Einfach mal Durchklicken und vor allen Dingen die Animationen abfahren. In den Animationen gibt es so Kästchen in denen man die Bedingungen ändern kann. Halt!!!! Nicht auswendig lernen. Dies ist ausschließlich zur Entspannung bestimmt. Da sind auch bereits bekannte Sachen dabei. Bilder lernen mehr als viele Worte. Hier geht es nur um das Verständnis der Grundlagen. Dann seht Euch auch noch pem301 an! (Wenn man Elektrotechnik wählt, dann findet man vieles, was wir schon drauf haben!) So nun zurück zur Arbeit! Was sagen denn die schönen Bilder aus? Was sollten wir uns davon merken? 1. Wird ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, dann veranlasst der Magnetismus einen Stromfluß im Leiter die Elektronen bewegen sich in eine Richtung (Handregel). 2. Wird die Bewegung des Leiters wieder in die andere Richtung gelenkt, dann dreht sich der Stromfluß im Leiter auch um. Gegenwirkung: 1. Fließt Strom durch einen Leiter, dann bildet sich um den Leiter ein Magnetfeld. 2. Werden mehrere Leiter nebeneinander gelegt, dann addieren sich die einzelnen Leiterfelder zu einem gemeinsamen Magnetfeld auf, welches dann natürlich stärker ist. Feststellung: Natürliche Magnetfelder von Ferromagneten verhalten sich in der Wirkung genau so wie die neuen elektromagnetischen Felder. Technische Nutzung: Generator zur Stromerzeugung (apem112) ob die Bewegung der Spule (Leiter) im Magnetfeld durch die Bewegung der Spule oder des Dauermagneten zustande kommt ist doch egal! Generator wird extern, z.b. Wasserkraft, angetrieben. Elektromotor (Gegenwirkung), man schickt Strom in die Spulen (drehend ange= ordnet), da baut sich ein Magnetfeld auf, diese stößt sich vom festen Stator (Dauer= magnet) ab. --- Gleichnamige Pole ----!! Das war ein kleiner Ausflug zur Stromherstellung oder Bewegungserzeugung durch Magnetismus. Nur mal so zum Grundverständnis.

2 Wozu das alles? Naja, ihr sollt etwas wissen über die Entstehung und Kraftwirkung der magnetischen und elektromagnetischen Feldlinien und Entstehung des es, apem111. Dann brauche ich nämlich die Entstehung der Sinuskurve nicht mehr zu erklären. Hier noch hübsche Beispiele aus dem Internet: Was wir bisher gesehen haben, waren alles physikalische Effekte im Zusammenhang mit Gleichstrom! Gleichstrom: Gleichstrom ist ein Strom, der von der Polarität her immer GLEICH ist! Siehe Batterie = chemische Stromquelle hat eine + Pol und einen Pol Der chemische Effekt der Stromerzeugung in Batterien beginnt immer wenn ein Verbraucher angeschlossen wird (mal abgesehen von der Selbstentladung, die gibt es ja nur, weil wir Menschen nichts ideal herstellen können). Kein Verbraucher (Stromkreis), kein Strom! Machen wir mal ein Experiment bei Gleichstrom! (4,5 Volt Flachbatterie) Sieh Dir genau an wie das Glühlämpchen jeweils angeschlossen ist! Leuchtet das Lämpchen? Leuchtet das Lämpchen? Ach ja, es leuchtet egal wie rum ich es anschließe. So so! Also ist es doch für die Wirkung des Stromes egal ob der Strom (die Elektronen) von links nach rechts oder von rechts nach links fließt!!! Jau egal (meistens)!!! : Bei der magnetischen Stromerstellung mittels Generator, apem111, entsteht. Die Polarität des Stromes wechselt und die Strommenge steigt von Null bis zu einem positiven Spitzenwert, fällt dann in Richtung Null und geht auf einen negativen Spitzenwert und von da aus weiter in Richtung Null.

3 Schauen wir uns noch einmal apem111 zum Zeitpunkt 0 Grad an. 0 (Null) Feldlinien tauchen in die Spule 0 (Null) Strom 15 Grad einige N-Pol Feldlinien tauchen in die Spule etwas Strom 45 Grad mehr N-Pol Feldlinien tauchen in die Spule mehr Strom 90 Grad alle N-Pol Feldlinien tauchen in die Spule maximale Strom bis 180 Grad könnt Ihr selber machen!!! 195 Grad einige S-Pol Feldlinien tauchen in die Spule etwas Strom aber die Stromrichtung ist umgekehrt 135 Grad mehr S-Pol Feldlinien tauchen in die Spule mehr Strom 270 Grad alle S-Pol Feldlinien tauchen in die Spule maximale Strom Rest selber machen... Das Experiment: Bei! (sagen wir auch hier 4,5 Volt ) Wir drehen den Generator von Null bis 360 Grad in 1 Sekunde. Was macht das Lämpchen von Grad???? Was macht das Lämpchen von Grad??? Hä??? So so! Da kommt mal selber drauf! Die wechselnde Polarität (Zustandswechsel) in einer Zeiteinheit nennen wir Frequenz. Diese Drehung von Grad in einer Sekunde und die entstehende Sinuswelle mit dem Polaritätswechsel von Plus nach Minus ist so eine Frequenz. Ist der Zustandswechsel von 0 bis 360 Grad abgeschlossen, dann ist der Periodenwechsel abgeschlossen. Eine abgeschlossene Periode in einer Sekunde entspricht einer Frequenz von einem Hertz. Frequenz f ist also Anzahl Perioden geteilt durch die Zeit 1 Hz = 1 Periode / 1 Sekunde Drehen wir den Generator 50 x in einer Sekunde, dann haben wir 50 Periodenwechsel pro Sekunde, also eine Frequenz von 50 Hertz. f=50/1= 50 Hz

4 Periodendauer Die Periodendauer T gibt an wie lange eine vollständige Schwingung dauert. Die Periodendauer hat den Formelbuchstaben T und die Einheit Sekunde s. Sie ist der Kehrwert der Frequenz. T = 1/f Periodendauer Formelzeichen Maßeinheit T s Frequenz Die Frequenz f gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an. Die Frequenz hat den Formelbuchstaben f und die Einheit Hertz Hz. Eine Frequenz von 1000 Hz bedeutet 1000 Schwingungen pro Sekunde. Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer. f = 1/T Frequenz Formelzeichen Maßeinheit f Hz Wenn wir schon dabei sind, dann machen wir die Wechselspannung auch gleich fertig. Da gibt es noch so ein paar Begrifflichkeiten. Wir haben ja die Entstehung der elektrischen Sinuskurve aus dem Kreis gesehen. Im Kreis benutzen wir ja für die Winkelstellungen Angaben in Grad. Da es sich um Bögen handelt, kann man natürlich auch die Bogenmaße angeben. Ja ja, keine Diskussion, kann man! Außerdem kennt ihr das sowieso schon denn bei der Kreisberechnung nehmt Ihr ja auch das Bogenmaß Pi = 3,14 oder, oder hab ich recht!?!

5 Gradmaß und Bogenmaß Den zeitlichen Ablauf einer vollständigen Drehbewegung und damit einer vollständigen Schwingung kann im Gradmaß oder im Bogenmaß angegeben werden. Gradmaß: eine vollständige Drehung, bzw. eine Schwingung = 360 Bogenmaß: eine vollständige Drehung, bzw. eine Schwingung = 2 Vergleich zwischen Gradmaß und Bogenmaß: Gradmaß Bogenmaß 90 / / Das war es schon!!!!!! Machen wir gleich noch die... Kreisfrequenz Die Kreisfrequenz gibt die in einer Sekunde von einem Zeiger mit der Länge 1 überstrichenen Winkel an. Hee, nicht in die Hose machen! Siehe, apem111, der Zeiger wandert von 0 über π/2 nach π und 1 ½ π nach 2π (360 Grad). Die Kreisfrequenz hat den Formelbuchstaben griechischer Buchstabe (klein) Omega und die Einheit 1/Sekunde 1/s. Wenn man davon ausgeht, dass eine vollständige Schwingung 2 entspricht und die Frequenz f die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde entspricht, dann errechnet sich die Kreisfrequenz gemäß der Formel: = 2 f Kreisfrequenz Formelzeichen Maßeinheit 1/s

6 Und... Übung 8 Scheitelwert Der Scheitelwert û (gelesen "u Dach") gibt den Maximalwert der Spannung an. Neben der Bezeichnung Scheitelwert, ist auch die Bezeichnung Maximalwert üblich. In der Nachrichtenübertragungstechnik wird für den Maximalwert die Bezeichnung Amplitude verwendet. Bei einer reinen Wechselspannung sind der positive und der negative Maximalwert gleich groß. Bei einer Mischspannung sind die positiven und negativen Ausschläge nicht gleich groß, hier gilt dennoch, dass der Maximal- oder Scheitelwert der höchste Wert gegenüber 0 V ist (in den meisten Fällen ist auf der Zeitachse 0 V). In diesem Fall gibt es dann nur in einer Richtung einen Maximalwert (man könnte ggf. noch von einem positiven und negativen Maximalwert sprechen). Spitze-Spitze-Wert Der Spitze-Spitze-Wert gibt die Höhe des Ausschlages gemessen vom niedrigsten Wert bis zum höchsten Wert einer Wechselgröße an. Bei reinen Wechselgrößen entspricht der Spitze-Spitze-Wert dem doppelten Maximalwert. Der Spannungs Spitze-Spitze-Wert u ss berechnet sich bei reinen Wechselgrößen gemäß der Formel: u ss = 2 û Ebenso berechnet sich der Strom Spitze-Spitze-Wert nach der Formel: i ss = 2 î Ist ja nicht so schlimm... denn es kommt noch...der...

7 Effektivwert (oder Gleichrichtwert) Der Effektivwert U eff (üblich ist die Schreibweise U ohne den Index "eff") entspricht dem Wert der Gleichspannung, der die gleiche Wirkung hat wie das entsprechende Quadrat der Wechselspannung. Bei gibt der Effektivwert den Wert an, den eine Gleichstrom haben müsste, damit er die gleiche Wärmewirkung hat wie der. Mathematisch gesehen ist der Effektivwert das Integral über das Quadrat der sinusförmigen Spannung bzw. des sinusförmigen Stromes während einer Periodendauer. (Uff, nett das es so was gibt, das merke ich mir nicht!) Wird bei der Angabe von Wechselspannung keine zusätzliche Angabe gemacht, so ist immer der Effektivwert gemeint. Bei der im Haushalt üblichen Wechselspannung von 230 Volt handelt es sich ebenfalls um den Effektivwert. Zwischen dem Effektivwert U und dem Scheitelwert û besteht folgender Zusammenhang: Scheitelwert = Effektivwert û = U für gilt entsprechend: î = I Durch Umformung der Gleichung erhält man die Gleichung zur Berechnung des Effektivwertes aus dem Maximalwert: für gilt entsprechend: Der Wert, der das Verhältnis des Scheitelwertes zum Effektivwert angibt wird als Scheitelfaktor bezeichnet. Der Scheitelfaktor entspricht in etwa dem Wert 1,41.

8 Und jetzt brauchen wir das Ganze nur noch zu verstehen... Wie brannte das Lämpchen bei Gleichspannung? Es brannte gleichmäßig!!!! Wie brannte das Lämpchen bei Wechselspannung? Langsam heller, hell, langsam dunkler, ganz aus, dann wieder langsam heller, hell, langsam dunkler, ganz aus!!!! Wieso der Unterschied? Gleichstrom ist während der ganzen Zeit mit gleichmäßiger Größe da. Der Energieinhalt bleibt unverändert. Der verändert seinen Energieinhalt während jeder Periode. Von der Wirkung sind +Q und Q gleich! Ich klapp mal das Q nach oben. Unterhalb der gestichelten Linie sehe ich jetzt die Stromlücken beim! Das gestrichelte wäre ja der kontinuierliche Gleichstrom. Also bei gleicher Spannung (4,5 Volt) ist der Energieinhalt von Gleichstrom eindeutig größer! Aber nur bei gleichem Energieinhalt, brennt das Lämpchen gleich hell!!!!!!!!!!! Was machen? Wir erhöhen die Wechselspannung so lange, bis das Lämpchen genau so hell leuchtet wie bei Gleichstrom, dann ist der Energiewert gleich groß! An diesem Punkt ist dann der genau so effektiv wie der Gleichstrom. Wir sprechen deshalb vom Effektivwert der Wechselspannung!!! Achtung!!: Da wir heute in einer welt leben sind alle Spannungsangaben als Effektivwerte zu verstehen, da uns ja nur der Energieinhalt interessiert. Wenn wir also die Steckdosenspannung messen, dann zeigt das Messgerät 230 Volt an. Das ist der Effektiv- oder Gleichrichtwert!!!!!!! Die Skala des Meßgerätes ist also in Effektivwerten geeicht, zeigt also gar nicht die tatsächliche Spannung an. In Wirklichkeit ist die Spitzenspannung û = U = 1,414 * 230 V = 325 Volt. Tatsächlich haben wir ja eine positive und eine negative Spitze. Damit ist der Spitze-Spitze Wert in der Steckdose 650 Volt! Lass es krachen! 73 de dieter, dk4qt