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2012/13ETG1v8.ppt1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung Verständnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre Anwendung dieser.

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1 2012/13ETG1v8.ppt1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung Verständnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre Anwendung dieser Gesetze bei ausgewählten Aufgabenstellungen Ziel der Lehrveranstaltung

2 2012/13ETG1v8.ppt2 Lehrveranstaltungen Elektrotechnische Grundlagen WS 12/13 Vorlesung (2) Haiml Übungen (1) ITS: Haiml, Lindmoser ITSB: Haiml, Benedikter Laboratorium(2) ITS: Haiml, Lindmoser ITSB: Haiml, Benedikter

3 2012/13ETG1v8.ppt3 Schriftliche Unterlagen Grundlagen der Elektrotechnik WS 12/13 Grundlagen der Elektrotechnik WS 12/13 Vorlesung Folien liegen am Moodle-Server Elearning.fh-salzburg.ac.at Vorlesung Folien liegen 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)

4 2012/13ETG1v8.ppt4 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 Simulation: Robert Heinemann, PSPICE, Hanser mit Diskette: Student-Version

5 2012/13ETG1v8.ppt5 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.

6 2012/13ETG1v8.ppt6 Stromerzeugung = Energieumwandlung Solarkraftwerke E=h*f E= U*I*t Loser / Bad Aussee

7 2012/13ETG1v8.ppt7 Stromerzeugung = Energieumwandlung Solar- thermische Kraftwerke Sonnenstrahlung (E=h*f ) Enthält viel Wärmeenergie Q = q s *A**cos()*t Solarkonstante q s = 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

8 2012/13ETG1v8.ppt8 Stromerzeugung = Energieumwandlung Aufwind- Kraftwerke Windturbine im Kamin treibt Elektrogenerator E= U*I*t

9 2012/13ETG1v8.ppt9 Stromerzeugung = Energieumwandlung Windkraftwerke E = 1/2 m.v² E = 1/2 ² E= U*I*t Parndorf

10 2012/13ETG1v8.ppt10 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

11 2012/13ETG1v8.ppt11 Stromerzeugung = Energieumwandlung Kalorische Kraftwerke E= m*H E= U*I*t

12 2012/13ETG1v8.ppt12 Stromerzeugung = Energieumwandlung Brennstoffzellen oxidieren den Wasserstoff 2H 2 +O 2 =2H 2 O (setzt 68,3*4,19 kJ pro mol H 2 O liq frei) Oder Methan CH 4 CH 4 +2O 2 = CO 2 +H 2 O E= U*I*t Brennstoffzellen für den PKW (Honda) /hond-claritytion2.jpg

13 2012/13ETG1v8.ppt13 Stromerzeugung = Energieumwandlung Überall dort, wo Kraftfelder wirken, ist Energie gespeichert. Potenzielle mech. EnergieW = (Masse*Gravitationsfeld) [W] = 1 N*m Elektrische EnergieW = (Ladung*elektrisches Feld)[W]= 1 Ws Thermische Energie Q = (Bewegungsenergie der Atome) [Q] = 1 Joule Energieformen können ineinander umgewandelt werden Wärme elektrische mechanische Energie EnergieEnergie 1Joule (1J) = 1 Wattsekunde (1Ws) = 1NewtonMeter (1Nm)

14 2012/13ETG1v8.ppt14 Elektrische Ladung als Grundelement Elektrische Ladung kommt quantisiert vor. q e =1,602* C, m e =9.11* kg 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

15 2012/13ETG1v8.ppt15 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 = n e *q e Gesamtladung= n e mal die Elementarladung n e =1C / 1.602* C n e =6.24*10 18 Ladungen (Committee on Data for Science and Technology (CODATA) 6, (16) × Ldg. / Sekunde.

16 2012/13ETG1v8.ppt16 Elektr. Ladung als Grundelement Eine Ladung erzeugt ein elektrisches Feld E um sich herum (Zentralpotential) E = Q 1 /r 2 * 1 / (4 0 ) …… el. Feldstärke 0 = 8.854* As/Vm...….. el. Feldkonstante, Permittivität Eine zweite Ladung spürt dieses Feld. Sie wird längs der Feldlinien angezogen oder abgestoßen. F= Q 2 *E = Q 2 *Q 1 / r 2 *1/(4 0 ) …… el. Kraft E pot = F*dr = -Q1*Q2/r * 1/(4 0 ) ……….Potenzielle Energie = Arbeit = Kraft*Weg

17 2012/13ETG1v8.ppt17 Elektrischer Strom Bewegte elektrische Ladung ist Strom Der elektrische Strom hat die SI-Basiseinheit 1Ampere I = Q/t bei Gleichstrom [I] = 1A i = 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

18 2012/13ETG1v8.ppt18 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

19 2012/13ETG1v8.ppt19 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

20 2012/13ETG1v8.ppt20 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.

21 2012/13ETG1v8.ppt21 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 = r 2= d 2 RechteckprofilA = b.h Hohlprofil rechteckigA = (b a.h a )- (b i.h i )

22 2012/13ETG1v8.ppt22 Stromdichte Ladungsmenge = Ladungsdichte N * Ladung q e * Volumen V Q = N.q e.V = N.q e.A.v.t Strom = Ladungsmenge pro Zeitintervall: I = Q/t = N.e.A.v Daraus die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen v=I/(N.q e.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?

23 2012/13ETG1v8.ppt23 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 N A = 6,022*10 23 Atome. Da jedes Cu-Atom im Mittel ein Leitungselektron zur Verfügung stellt, ist dies zugleich auch die Zahl der Elektronen. 1 cm 3 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 * N A = 0,140 mol/cm³ * 6, Atome/mol n = 0,846*10 23 Leitungselektronen /cm³. In 1 cm³ Kupfer stehen für die elektrische Leitung zirka 0,8*10 23 Leitungselektronen zur Verfügung.

24 2012/13ETG1v8.ppt24 Beispiel Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Leitungs-Elektronen bei I= 8 Ampere in einem Kupferdraht mit A=1,5 mm² Querschnitt?

25 2012/13ETG1v8.ppt25 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 Elektronik für 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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