01.10.2015ETG1v11.ppt1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung Verständnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre Anwendung.

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1 01.10.2015ETG1v11.ppt1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung Verständnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre Anwendung dieser Gesetze bei ausgewählten Aufgabenstellungen Ziel der Lehrveranstaltung

2 01.10.2015ETG1v11.ppt2 Lehrveranstaltungen Elektrotechnische Grundlagen WS 14/15 Vorlesung (2) ITS: Haiml, ITSB:Haiml Übungen (1) ITS: Haiml, ITSB: Benedikter Laboratorium(2) ITS: Haiml, Lindmoser ITSB: Benedikter

3 01.10.2015ETG1v11.ppt3 Schriftliche Unterlagen Grundlagen der Elektrotechnik WS 15/16 Grundlagen der Elektrotechnik WS 15/16 Vorlesung Folien liegen am Moodle-Server Elearn.fh-salzburg.ac.at Vorlesung Folien liegen am Moodle-Server Elearn.fh-salzburg.ac.at Übungen Integriert in die Vorlesung Übungen Integriert in die Vorlesung Laboratorium Anleitungen liegen am Moodle-Server (4-er Block) Laboratorium Anleitungen liegen am Moodle-Server (4-er Block)

4 01.10.2015ETG1v11.ppt4 Prüfungen Vorlesung Eine schriftliche Klausurarbeit In der letzten (14.) Einheit über den gesamten Semesterstoff oder Zwei Teilklausuren (7. und 14. Einheit) Dabei werden die Punkte addiert. Positiv ab 50% der erreichbaren P. Eine aktive Mitarbeit bei den integrierten Übungen kann die Note verbessern. Vorlesung Eine schriftliche Klausurarbeit In der letzten (14.) Einheit über den gesamten Semesterstoff oder Zwei Teilklausuren (7. und 14. Einheit) Dabei werden die Punkte addiert. Positiv ab 50% der erreichbaren P. Eine aktive Mitarbeit bei den integrierten Übungen kann die Note verbessern. Laboratorium Beurteilt wird die Mitarbeit zu 30% Die Vorbereitung auf die Übung zu 20% und die schriftliche Ausarbeitung der Arbeiten. 50% Laboratorium Beurteilt wird die Mitarbeit zu 30% Die Vorbereitung auf die Übung zu 20% und die schriftliche Ausarbeitung der Arbeiten. 50%

5 01.10.2015ETG1v11.ppt5 Literaturempfehlung Deimel, Hasenzagl,…Grundlagen der Elektrotechnik 1, Veritas Sehr gutes, allgemein verständliches Lehrbuch ohne höhere Mathematik. ( mit CD ) Übungsaufgaben: Lindner, Elektro Aufgaben 1 + 2 !!, Hanser, Mit Lösungen, sehr empfehlenswert zum Üben. Taschenbuch: H.Lindner, Tb. der Elektrotechnik und Elektronik, Hanser, wesentlich besser als eine Formelsammlung, da die einzelnen Kapitel den Stoff thematisch und schwierigkeitsmäßig gut abdecken. Simulation von Schaltungen: Robert Heinemann, PSPICE mit CD (limitierte student vers.), Hanser Zastrow, Elektrotechnik, Vieweg-Verlag ( FH-Bibliothek)

6 01.10.2015ETG1v11.ppt6 Energieumwandlung Inhaltsübersicht heute  Energie  Energie-Umwandlung  Elektrische Ladung  Elektrischer Strom Wikipedia meint: 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.

7 01.10.2015ETG1v11.ppt7 Energie Heute definiert man Energie als Messgröße, die auf verschiedene Weise in Erscheinung treten kann, deren Zahlenwert aber immer gleich bleibt. Es gibt unterschiedliche Energieformen, die nicht erzeugt oder vernichtet, aber ineinander umgewandelt werden können. Es wird u. a. zwischen potenzieller oder Lageenergie, kinetischer oder Bewegungsenergie, mechanischer, elektrischer, magnetischer, chemischer, Strahlungs-, Kern- oder Ruhe-Energie unterschieden. „Die ungleiche Verteilung der Energie ist die Grundlage des Universums“ Die Einheit der Energie ist das Joule (J): 1 J = 1 N·m (Newtonmeter) = 1 W·s (Wattsekunde). In der Halbleiterphysik benutzen wir auch die Einheit Elektronenvolt: 1 eV = 1,602 18·10 –19 J. Anfang des 20. Jahrhunderts kam man zur Erkenntnis, dass Atome die Energie nicht stetig in Form von Lichtstrahlung aufnehmen oder abgeben können, sondern nur ganz bestimmte („diskrete“) Energiebeträge. Dies führte zum Begriff des Energiequantums. Das Äquivalenzprinzip der Relativitätstheorie besagt schließlich, dass Masse und Energie gemäß der Einstein-Formel E = m·c 2 äquivalent sind. Auf dieser Formel basiert z. B. die Gewinnung von Kernenergie. Energieerzeugung Die Umwandlung einer Energieform in eine andere beruht auf dem physikalischen Satz von der Erhaltung der Energie. Er besagt, dass Energie bzw. Masse nicht verloren gehen kann, sondern nur in eine andere Energieform umgewandelt wird. Darauf beruhen z. B. Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie.

8 01.10.2015ETG1v11.ppt8 Stromerzeugung = Energieumwandlung  Speicherkraftwerke (Energie der Höhenlage) E pot =m*g*h m = Wassermasse g = Erdbeschleunigung h= Höhendifferenz  (elektrische Energie) E el = U*I*t U = Spannung I = Strom t= Zeit Moserboden – Wasserfallboden Enzingerboden 1 Liter Wasser fließt 360m hinab: 1 kg* 9,81m/s²*360m=3530 Nm = 3530Ws = ca. 1Wh

9 01.10.2015ETG1v11.ppt9 Stromerzeugung = Energieumwandlung  Solarkraftwerke E=h*f  E= U*I*t Werfenweng – Reiterbauer Loser / Bad Aussee, EnergieAG

10 01.10.2015ETG1v11.ppt10 Stromerzeugung = Energieumwandlung  Solar- thermische Kraftwerke Sonnenstrahlung besteht aus einer großen Anzahl n von Energiequanten E ph =h*f. Diese werden gebündelt und erwärmen einen Strahlungs-Absorber. Wärmemenge Q (=Quantum) Diese Wärmeenergie Q wird dann in einem kalorischen Kraftwerk in elektrischen Strom umgewandelt. Wirkungsgrad  *Q = E el = U*I*t "Sonnenofen" von Odeillo in den französischen Pyrenäen "Kramer Junction" / Kalifornische Wüste, Leistung der Anlage 30 MW

11 01.10.2015ETG1v11.ppt11 Stromerzeugung = Energieumwandlung  Aufwind- Kraftwerke Windturbine im Kamin treibt Elektrogenerator E el = U*I*t

12 01.10.2015ETG1v11.ppt12 Stromerzeugung = Energieumwandlung  Windkraftwerke Bewegungsenergie E = 1/2 m.v² (Wind) m= Luftmasse v= Windgeschwindigkeit E = 1/2 ² (Rotation) = Massenträgheitsmoment = Winkelgeschwindigkeit  E el = U*I*t (el. Strom) Parndorf

13 01.10.2015ETG1v11.ppt13 Stromerzeugung = Energieumwandlung  Kalorische Kraftwerke E= m*H  E= U*I*t m…Masse, H…HeizwertSteinkohle: 30 MJ/kg 1kg Steinkohle enthält E= m*H = 1kg *30MWs/kg = 8,333 kWh

14 01.10.2015ETG1v11.ppt14 Stromerzeugung = Energieumwandlung Brennstoffzellen oxidieren Wasserstoff 2H 2 +O 2 =2H 2 O „kalte Verbrennung“ 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)

15 01.10.2015ETG1v11.ppt15 Stromerzeugung = Energieumwandlung  Überall dort, wo Kraftfelder wirksam werden, 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)

16 01.10.2015ETG1v11.ppt16 Elektrische Ladung als Grundelement  Elektrische Ladung kommt quantisiert vor. q e =1,602*10 -19 C, m e =9.11*10 -31 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“

17 01.10.2015ETG1v11.ppt17 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*10 -19 C n e =6.24*10 18 Ladungen (Committee on Data for Science and Technology (CODATA) 6,241 509 65 (16) × 10 18 Ldg. / Sekunde.

18 01.10.2015ETG1v11.ppt 18 Elektr. Ladung als Grundelement  Eine Ladung erzeugt ein elektrisches Feld E im Raum rundherum (Zentralpotential) E = Q 1 /r 2 * 1/(4 0 ) …… el. Feldstärke(Vektor!), Ladung Q (Skalar)  0 = 8.854*10 -12 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 ) …… elektrische Kraft zw. Q1 und Q2 = Ladung x Feldstärke (Kraft ~ 1/r² ) E pot = ∫ F*dr = -Q1*Q2/r * 1/(4 0 ) ….. Potenzielle Energie = Kraft*Weg Die potenzielle Energie einer Ladung im anziehenden Feld einer anderen Ladung ist negativ. Die Ladungen können nur durch Arbeitsaufwand wieder getrennt werden. Erst im unendlich weit weg wird die Kraft bzw. Arbeit für einen weiteren Meter Verschiebung gleich Null (1/r). Ladungen mit positiver potenzieller Energie sind freie Ladungen, negative potenzieller. Energie bedeutet Bindung an die andere Ladung. Bei der Gravitation, die denselben Zentral-Gesetzen folgt, sind die Verhältnisse ähnlich.

19 01.10.2015ETG1v11.ppt 19 Elektr. Ladung als Grundelement Wird am einen Ende eines Drahtes eine negative Ladung angebracht und am anderen Ende eine positive Ladung, so entsteht ein elektrisches Feld längs des Drahtes. Die Elektronen erfahren im Draht eine Kraftwirkung und folgen den Feldlinien bis zum anderen Ende. Die Feldrichtung zeigt von (+) zu (-), In diese Richtung würden sich auch positive Ladungen bewegen. Negative Elektronen fließen jedoch gegen die Feldrichtung! Das Feld kann man nicht sehen! Nur seine Wirkung auf die Ladungsträger zeigt an, dass es vorhanden ist. http://www.sn.schule.de/~ms16l/virtuelle_schule/3de/Kapitel_03_Strom/leiter_mit_strom.gif

20 01.10.2015ETG1v11.ppt20 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) Übliche Erweiterungen durch Vorsilben sind: kA, A, mA, µA, nA,pA

21 01.10.2015ETG1v11.ppt 21 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

22 01.10.2015ETG1v11.ppt22 Ladungsänderung bedeutet Strom Verschiedene Stromarten: 1) Gleichstrom, 2) schwankender Strom, 3) pulsierender Strom, 4) Wechselstrom. Die strömende Ladungsmenge (Quantum Q) ist allgemein Q = ∑ k I k t k bzw. Q = ∫ i(t) dt, [Q]= 1 A*s mathematisch gesehen: die Fläche unter der Stromkurve. +0-+0-

23 01.10.2015ETG1v11.ppt23 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 auch indirekt über das mit ihm verknüpfte Magnetfeld gemessen werden.

24 01.10.2015ETG1v11.ppt24 Stromdichte Stromdichte = Strom / Querschnittsfläche S=I/A [S]=1Ampere/m²  Bei gegebenem Strom ändert sich die Fließgeschwindigkeit der Elektronen umgekehrt zum durchflossenen Querschnitt.  Kleinerer Querschnitt bedeutet dichter fließende Elektronen und damit höhere „Reibung“ (Erwärmung)  Leiterquerschnitte: Draht = kreisrund A = r 2 = d 2  RechteckprofilA = b.h Hohlprofil rechteckigA = (b a.h a )- (b i.h i )

25 01.10.2015ETG1v11.ppt25 Beispiel: In einem mol Kupfer befinden sich N A = 6,022*10 23 Atome. (Avogadrozahl) Die Masse von 1 mol Kupfer ist so groß wie die Atommasse von Cu in Gramm.  6,022*10 23 Kupferatome wiegen also 63,5 Gramm. Andererseits besitzt 1cm³ Kupfer die Masse m = 8,92 g (= spez. Masse, Massendichte). 1 cm³ Kupfer enthält somit nur einen Bruchteil der Atome eines mols:  8,92(g/cm³) / 63,5(g/mol) = 0,140 mol/cm³ Das ergibt die Teilchen-Dichte n = 0,140 mol/cm³ * 6,022.10 23 Atome/mol = 0,846*10 23 Atome/cm³. Da jedes Kupfer-Atom im Mittel ein Leitungselektron zur Verfügung stellt, ist dies zugleich auch die Zahl der Elektronen pro cm³. Wie groß ist die Ladungsträgerdichte im Kupfer?  In einem cm³ Kupfer stehen für die elektrische Leitung zirka 0,8*10 23 Elektronen zur Verfügung. (Ladungsträgerdichte n =  / M*N A )

26 01.10.2015ETG1v11.ppt26 Einige Begriffe: Volumenstrom: Zylindervolumen:V Querschnittsfläche: A Länge des Zylinders: s = v.t  Volumenselement: V = A.s = A.v.t  Volumenstrom:V/t = A.v Ladungsdichte: Ladung: Elementarladung x AnzahlQ = q e.N Anzahl der Elementarladungen pro Volumen: Ladungsdichte: Q/V = q e.N/V = q e.n Teilchendichte: (vorige Folie) Anzahl der Teilchen pro Volumen =Teilchendichte n = N/V = /M.N A Ladungsstrom=elektrischer Strom: Ladung pro Zeit = Strom I= Q/t I= q e.n.V/t = q e.n.A.v

27 01.10.2015ETG1v11.ppt27 Beispiel: Geschwindigkeit der Leitungselektronen Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Leitungs-Elektronen bei I= 8 Ampere in einem Kupferdraht mit A=1,5 mm² Querschnitt?

28 01.10.2015ETG1v11.ppt28 Wo liegen diese Folien ? Am FH-Server : Am Moodle-Server der FH 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 ! Ich wünsche Ihnen einen guten, ambitionierten Studienbeginn!