2012/13 ETG1v8.ppt 1
Lehrveranstaltungen
Ziel der Lehrveranstaltung
Verständnis der grundlegendenGesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre
Anwendung dieser Gesetze
bei ausgewähltenAufgabenstellungen
Ziel der Lehrveranstaltung
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LehrveranstaltungenLehrveranstaltungen
Elektrotechnische GrundlagenWS 12/13
Vorlesung (2)
Haiml
Übungen (1)
ITS: Haiml, LindmoserITSB: Haiml, Benedikter
Laboratorium(2)
ITS: Haiml, LindmoserITSB: Haiml, Benedikter
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Schriftliche Unterlagen
Grundlagender Elektrotechnik
WS 12/13
Grundlagender Elektrotechnik
WS 12/13
Vorlesung
Folienliegen am Moodle-Server
Elearning.fh-salzburg.ac.at
Vorlesung
Folienliegen am Moodle-Server
Elearning.fh-salzburg.ac.at
Übungen
liegen am Moodle-Server
(2-er Block)
Übungen
liegen am Moodle-Server
(2-er Block)
Laboratorium
Anleitungen liegen am Moodle-Server
(4-er Block)
Laboratorium
Anleitungen liegen am Moodle-Server
(4-er Block)
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Literaturempfehlung
Lehrbücher: Dieter Zastrow, Elektrotechnik, Vieweg-Verlag
Deimel, Hasenzagl, Krikava,… Grundlagen der Elektrotechnik 1 und 2, Oldenburg
Gert Hagmann, Grundlagen der Elektrotechnik,Aula-Verlag
Taschenbuch: H.Lindner, Tb. der Elektrotechnik und Elektronik, Carl Hanser / Fachbuchverlag Leipzig
Übungsaufgaben: Lindner, Elektro Aufgaben 1 + 2
Simulation: Robert Heinemann, PSPICE, Hansermit Diskette : Student-Version
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Energieumwandlung
Inhaltsübersicht heute Energie-Umwandlung Elektrische Ladung Elektrischer Strom
Wikipedia:
Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Physik, der sich ingenieurwissenschaftlich mit der Forschung und der technischen Entwicklung sowie der Produktionstechnik von Geräten oder Verfahren befasst, die zumindest anteilig auf elektrischer Energie beruhen.
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Solarkraftwerke
E=h*f E= U*I*tLoser / Bad Aussee
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Solar-thermischeKraftwerke
Sonnenstrahlung (E=h*f ) Enthält viel Wärmeenergie
Q = qs *A**cos()*tSolarkonstante qs= 1,37kW/m² (klarer Himmel)
*Q = E= U*I*t
"Sonnenofen" von Odeillo in den französischen Pyrenäen
"Kramer Junction" / Kalifornische Wüste, Leistung der Anlage 30 MW
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Aufwind-Kraftwerke
Windturbine im Kamin
treibt Elektrogenerator
E= U*I*t
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Windkraftwerke
E = 1/2 m.v²E = 1/2 ²
E= U*I*t
Parndorf
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Speicherkraftwerke
E=m*g*h E = U*I*t
• Moserboden – Wasserfallboden• Enzingerboden
1Liter Wasser fließt 360m hinab: 1kg* 9,81m/s²*360m=3530Nm = 3530Ws = ca. 1Wh
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Kalorische Kraftwerke
E= m*H
E= U*I*t
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Stromerzeugung =Energieumwandlung
Brennstoffzellen oxidieren den Wasserstoff2H2+O2=2H2O
(setzt 68,3*4,19 kJ pro mol H2O liq frei)
Oder Methan CH4
CH4 +2O2 = CO2+H2O
E= U*I*tBrennstoffzellen für den PKW (Honda)
8-4-4-6/hond-claritytion2.jpg
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Stromerzeugung = Energieumwandlung
Überall dort, wo Kraftfelder wirken, ist Energie gespeichert.
Potenzielle mech. Energie W = (Masse*Gravitationsfeld) [W] = 1 N*m
Elektrische Energie W = (Ladung*elektrisches Feld) [W]= 1 Ws
Thermische Energie Q = (Bewegungsenergie der Atome) [Q] = 1 Joule
Energieformen können ineinander umgewandelt werden
Wärme elektrische mechanische Energie Energie Energie
1Joule (1J) = 1 Wattsekunde (1Ws) = 1NewtonMeter (1Nm)
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Elektrische Ladung als Grundelement
Elektrische Ladung kommt quantisiert vor. qe =1,602*10-19C, me=9.11*10-31kg
Es gibt positive und negative Elementarladungen, gleichnamige Elementarladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Die el. Ladung ist immer an Materie gekoppelt.Elektronen, Protonen, Positronen,…
Diese Kopplung von Ladung und Materie hält unsere Welt am „Laufen“
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El. Ladung als Grundelement
Einheit der Ladung:[Q]=1 Coulomb = 1C
Zusammenhang mit den SI-Basiseinheiten: 1 C = 1 As
1 Coulomb enthält daher:
Q = ne*qe Gesamtladung= ne mal die Elementarladung
ne=1C / 1.602*10-19C
ne=6.24*1018 Ladungen
(Committee on Data for Science and Technology (CODATA) 6,241 509 65 (16) × 1018Ldg. / Sekunde.
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Elektr. Ladung als Grundelement
Eine Ladung erzeugt ein elektrisches Feld E um sich herum (Zentralpotential)
E = Q1/r2 * 1 / (40) …… el. Feldstärke
0 = 8.854*10-12As/Vm ...….. el. Feldkonstante, Permittivität
Eine zweite Ladung spürt dieses Feld. Sie wird längs der Feldlinien angezogen oder abgestoßen.
F= Q2*E = Q2*Q1 / r2 *1/(40) …… el. Kraft
Epot= F*dr = -Q1*Q2/r * 1/(40 ) ……….Potenzielle Energie = Arbeit = Kraft*Weg
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Elektrischer Strom
Bewegte elektrische Ladung ist „Strom“ Der elektrische Strom hat die SI-Basiseinheit 1Ampere
I = Q/t bei Gleichstrom [I] = 1Ai = dQ/dt Momentanwert
Das Ampere ist gleich der Stärke des elektrischen Stroms, der durch zwei geradlinige, dünne, unendlich lange Leiter, die in einem Abstand von 1m parallel zueinander im Vakuum angeordnet sind, unveränderlich fließend bewirken würde, dass diese beiden Leiter aufeinander eine Kraft von 2*10-7 Newton je Meter Länge ausüben. (ISO)
Üblich sind: kA, A, mA, µA, nA,pA
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Ladungsänderung bedeutet Strom
Zur Ladung Q, die am Anfang vorhanden ist, fließen Ladungen zu. Die Ladungsmenge wird größer.
Die Geschwindigkeit ist Q pro Zeitabschnitt t .
elektrischer Strom I=Q/t
Umgekehrt: gegeben sei ein Strom I. dieser liefert in der Zeit t (oder t) die Ladungsmenge Q= I*t
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Ladungsänderung bedeutet Strom
Verschiedene Stromarten: 1) Gleichstrom, 2) schwankender Strom, 3) pulsierender Strom, 4) Wechselstrom.
Die strömende Ladungsmenge (Quantum Q) ist allgemein Q = ʃ i(t) dt,= die Fläche unter der Stromkurve
+0-
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Strom-Messung mit dem „Amperemeter“
• Bei der Strommessung muss der zu messende Ladungsträger-Strom durch das Messgerät fließen. Anm. *)
• Bei sehr großen Strömen führt man nur einen Teilstrom durch das Messgerät, der größte Teil fließt über einen parallelen Zweig.
• Einige (nicht alle) Messgeräte werden nach der Einheit der elektrischen Messgröße benannt: Voltmeter, Amperemeter, Ohmmeter, Wattmeter, Luxmeter,….
*) der elektrische Strom kann u.A.auch indirekt über das mit ihm vernüpfte H-Feld gemessen werden.
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Stromdichte
Stromdichte = Strom / Querschnittsfläche S=I/A
Bei gegebenem Strom ändert sich die Fließgeschwindigkeit der Elektronen mit dem Querschnitt.
Dies hat Auswirkungen auf die Erwärmung des Leiters
Leiterquerschnitte:
Draht = kreisrund A = r2 = d2
Rechteckprofil A = b.h
Hohlprofil rechteckig A = (ba.ha)- (bi.hi)
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Stromdichte
Ladungsmenge = Ladungsdichte N * Ladung qe* Volumen V
Q = N.qe.V = N.qe.A.v.t
Strom = Ladungsmenge pro Zeitintervall: I = Q/t = N.e.A.v
Daraus die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen v=I/(N.qe.A)
Wie viele Elektronenladungen fließen pro Sekunde bei einem Strom I durch den Querschnitt A eines Drahtes?
Durchströmendes Volumen: V = Querschnitt A mal Länge s : V = A.s
Länge des Zylinders: s = v.t
Wie viele Lqadungen sind in diesem Volumen?
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Beispiel
Wie groß ist die Ladungsträgerdichte im Kupferdraht?
Ein Volumen von V= 1cm³ Kupfer (Cu) wiegt m= 8,92 g (= spez. Masse).
In 1mol Cu, das sind m= 63,5g (Atommasse), befinden sich NA = 6,022*1023 Atome.
Da jedes Cu-Atom im Mittel ein Leitungselektron zur Verfügung stellt, ist dies zugleich auch die Zahl der Elektronen.
1 cm3 Cu enthält den Bruchteil 8,92 g / cm³ dividiert durch 63,5 g / mol = 0,140 mol / cm³.
1cm³ Cu enthält daher n = 0,140 mol/cm³ * NA = 0,140 mol/cm³ * 6,022.1023 Atome/moln = 0,846*1023 Leitungselektronen /cm³.
In 1 cm³ Kupfer stehen für die elektrische Leitung zirka 0,8*1023 Leitungselektronen zur Verfügung.
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Beispiel
Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Leitungs-Elektronen bei I= 8 Ampere in einem Kupferdraht mit A=1,5 mm² Querschnitt?
qe 1.6021019 A s
NA 6.0231023 mol
1
8.9g
cm3
M 63.5g
mol
v 0.394mm
sv
I
n qe Abzw.. v
S
n qe
Geschwindigkeit v:
==> auflösen nach vS n qe v
Stromdichte = Ladungsträgerdichte * Geschwindigkeit
________________________________________________________________
SI
AA 1.50mm
2I 8A
Strom Querschnittsfläche Stromdichte
________________________________________________________________
n 0.8441023cm
3nMNA
LadungsträgerdichteAnzahl der Leitungselektronen im Kubikzentimeter ( = Atomanzahl bei Cu)
_________________________________________________________________
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Wo liegen diese Folien ?
Am FH-Server : derzeit noch auf meiner Homepage, bis dann der Moodle-Server beschickt ist.
Anrechnungsanträge bitte mit Unterlagen bitte beim zuständigen Fachbereichsleiter eingeben.
Generell wird die HTL-Reifeprüfung der Elektrotechnik oder Elektronikfür Grundlagen, Übungen und Labor angerechnet.
Andere äquivalente Vorbildungsformen werden derzeit nur bei Vorlage eines entsprechenden Dokuments (Uni-Prüfungszeugnis,…) bzw. nach einer schriftlichen Überprüfung angerechnet !
Viel Spaß dann bei der Eröffnungsparty und einen guten Studienbeginn!
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