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Gleichstromkreis © Prof. Dr. Remo IannielloElektrische Größen.

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Präsentation zum Thema: "Gleichstromkreis © Prof. Dr. Remo IannielloElektrische Größen."—  Präsentation transkript:

1 Gleichstromkreis © Prof. Dr. Remo IannielloElektrische Größen

2 © Copyright: Der Inhalt dieser Folien darf - mit Quellenangabe - kopiert und weiter gegeben werden. Ziele dieser Vorlesung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 2Elektrische Größen © Prof. Dr. Remo Ianniello Nach diesem Abschnitt sollten Sie... Ladung, Strom, Spannung und Widerstand einer Gleichstromschaltung berechnen können. Grund- lagen Konzept und Begriffe Aufgaben / Fragen Anwen- dung Klausuraufgaben

3 elektr. Ladung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 3Elektrische Größen

4 Potenziale © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 4Elektrische Größen Ladungen haben Eigenschaften: Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an; gleichnamige stoßen sich ab. Ladungen können sich im Kristallgitter von Metallen sehr gut bewegen. Die eigenen, sog. „freien“ Elektronen der Metalle bewegen sich regellos in ihrem Gitter. Ziel: die Spannung beschreiben und berechnen können. Ein Überschuss bzw. Mangel von Ladungen an den Enden eines Metalldrahtes drückt bzw. zieht die freien Elektronen in eine gemeinsame Richtung. © Prof. Dr. Remo Ianniello viele Elektronen

5 Potenziale © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 5Elektrische Größen Eine Ladungskonzentration nennt man “Potenzial” Eine Stelle mit Elektronen-Überschuss hat daher ein negatives Potenzial, Eine Stelle mit Elektronen-Mangel hat ein positives Potenzial. Ziel: die Spannung beschreiben und berechnen können. negatives Potenzialpositives Potenzial Potenziale ändern Wie müsste man die Potenziale ändern, damit die Elektronen schneller bzw. langsamer fließen ? Ein Potenzial beschreibt die Ladungs- Konzentration an einem Ort © Prof. Dr. Remo Ianniello

6 elektr. Strom © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 6Elektrische Größen

7 Strom © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 7 Eine Batterie hat zwei Pole mit unterschiedlichen Potenzialen. Die Differenz dieser beiden Potenziale ist als Spannung (z.B. 1,5 V) auf der Batterie angegeben. Werden die beiden Pole miteinander verbunden, fließt ein Strom I. Was ist elektrischer Strom ? Elektrischer Strom besteht aus el. Ladungen, die alle vom einen Pol zum anderen fließen. Ein elektrischer Strom besteht aus Ladungen, die in eine gemeinsame Richtung fließen. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

8 Stromrichtung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 8 Die Elektrotechniker gehen davon aus, dass nicht negative Elektronen, sondern positive Ladungen den Strom bilden → technische Stromrichtung Die Stromrichtung der positiven Ladungen ist entgegengesetzt zu der Richtung der Elektronen. Die Richtung der Elektronen ist die → physikalische Stromrichtung. Der technische Strom besteht aus positiven Ladungen, die von Plus nach Minus fließen. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

9 Stromstärke © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 9 Wie berechnet man die Stromstärke? Je mehr Elektronen pro Sekunde durch den Draht fließen, umso größer ist der Strom. Bei einem Strom von 1 A durchströmt pro Sekunde die Ladungsmenge von 1 C den Querschnitt eines Leiters. Löst man die Definitionsgleichung nach Coulomb auf, erhält man: 1 Coulomb = 1 AmpereSekunde, kurz C = As © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

10 Aufgabe Stromstärke © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 10 Zwei Elektronen a)Wie groß ist der elektrische Strom, wenn genau zwei Elektronen pro Sekunde durch einen Drahtquerschnitt fließen würden? 1,602· C · 2 / 1s = 3,2· A a)Welche Ladung strömt pro Sekunde durch den Draht - in As? 1,602· C · 2 = 3,2· As a)Der Draht teilt sich in zwei Drähte auf. Wie groß ist der Strom durch jeden einzelnen der beiden Drähte? 3,2· A / 2 = 1,6· A © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

11 Quiz Richtig oder falsch? © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 11 Nein, sondern an der Knopf-Seite. Nein, φ. Nein, sondern in Ampere. Nein, das ist gar kein Strom. Stromstärken werden in Volt angegeben. Potenziale entsprechen einem Druck oder Zug auf die Ladungsträger. Ein hohes Potenzial erzeugt einen hohen Strom. Je stärker ein elektrischer Strom ist, umso größer muss die Potenzialdifferenz sein. Der Pluspol einer Batterie ist an der flachen Seite. In einem flachen Blech strömen die La- dungsträger in verschiedene Richtungen. Das ist ein “diffuser elektrischer Strom”. Je länger eine Batterie Strom liefert, umso mehr sinkt die Potenzial- differenz zwischen ihren Polen. Die Ursache für einen elektrischen Strom ist eine Batterie. Das Formelzeichen für ein Potenzial ist V (für Volt). Die Stromrichtung vermeintlicher positiver Ladungen nennt man auch „technische Stromrichtung“ Nein, sondern eine Potenzialdifferenz. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

12 Fragen © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 12 1)Was sind „freie“ Elektronen? Elektronen, die nicht fest an ein Atom gebunden sind. 2)Welcher Begriff beschreibt die Ladungskonzentration an einer Stelle ? Der Begriff „Potenzial“ 3)Wie nennt man die Differenz zweier Potenziale? Spannung. 4)Welche Größe ist die Ursache eines elektrischen Stroms? Die Spannung. 5)Wie groß ist die Durchschlagsfestigkeit von Luft? 2 MV/m. 6)Wie groß ist die typische Spannung einer Solarzelle? 0,5 V. 7)Woraus besteht ein elektrischer Strom? Aus el. Ladungen, die in eine gemeinsame Richtung fließen. 8)Wie heißt die Stromrichtung positiver Ladungen? Technische Stromrichtung. 9)Wie ist der elektrische Strom definiert? Strom = Ladung pro Zeit © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

13 Fragen © Prof. Dr. Remo Ianniello13 von 49 1)Welche Bauteile lassen sich als elektrische Widerstände einordnen? #Bauteile im Stromkreis, die sich im Betrieb erwärmen. 2)Warum haben Nicht-Metalle einen hohen el. Widerstand? Sie besitzen keine oder nur wenig freie Elektronen. 3)In welche drei Klassen kann man Stoffe entsprechend ihres el. Widerstandes einteilen? In Leiter, Halbleiter und Nichtleiter. 4)Nennen Sie einen alternativen Begriff zu „Nichtleiter“. Isolator. 5)Wächst der Widerstand eines Drahtes mit dessen Querschnitt? Nein, er sinkt. 6)Was ist ein spezifischer Widerstand? Der Widerstand eines Werkstoffes von L = 1m und A = 1mm². 7)Welches sind die vier leitfähigsten Metalle? Silber, Kupfer, Gold, Aluminium. 8)Wie ist die Leitfähigkeit definiert? Sie ist der Kehrwert des Widerstands. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

14 Schaltzeichen © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 14Elektrische Größen

15 Schaltpläne © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 15 Modelldarstellung eines einfachen Stromkreises bestehend aus: - Spannungsquelle, - Lampe, - Schalter und - Leitungen. Quelle: Diese Art von Darstellung ist für den täglichen Gebrauch jedoch sehr umständlich zu handhaben. Elekrtische Schaltungen werden deshalb in Form von Schaltplänen dargestellt. Die Bauteile werden in Schaltplänen durch normierte Schaltzeichen dargestellt. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

16 Quiz Schaltzeichen © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 16 Aufgabe Schaltzeichen sowie deren Zusammen- fassung in Schalt- plänen machen eine Kommunikation unter Elektronikern auf einfache Art und Weise möglich. Zeichnen Sie jeweils das rechts aufgeführ- te Schaltzeichen neben den Namen des passenden Bauteils. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

17 Aufgabe Schaltkreise © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 17 Die Strecke, die elektrischen Ladungen zurücklegen, beginnt am Pluspol und endet am Minuspol. Dazwischen bewegen sie sich durch einen “Kreislauf”, so dass man ihren Weg als Stromkreis bezeichnet. Aufgabe Fahrrad-Beleuchtung Beschreiben Sie den Stromkreis einer Fahrradbeleuchtung. Ein Stromkreis muss immer geschlossen sein. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

18 Aufgabe Schaltkreis zeichnen © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 18 Aufgabe Deckenfluter a) Skizzieren Sie einen Schaltplan, der einen Deckenfluter mit Leseleuchte beschreibt. Der Deckenfluter und die Leseleuchte seiren Batterie betrieben und lassen sich nur ein- oder ausschalten. b) Beschriften Sie den Schaltplan. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

19 Quiz Schaltzeichen © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 19 Begriffe gesucht a) Schreiben Sie die gesuchten Bezeichnungen der Schalt- kreiselemente in die Skizze. Amperemeter, misst die Stromstärke Ohmscher Widerstand Potenzial “Knoten” unbekannter Widerstand einstellbarer Widerstand Spannung der Spannungsquelle b) Was ist ein „Stromzweig“? Ein Leiterabschnitt zwischen zwei Knoten. c) Was ist eine „Masche“? Miteinander verbundene Zweige, die einen möglichen Stromkreis bilden. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

20 Elektr. Spannung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 20Elektrische Größen

21 Potenziale © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 21 Ladungs-Verteilung beim Gewitter: Wolken = Überschuss an Elektronen → negativ geladen → negatives Potenzial φ 1 = - 2MV. Je mehr Elektronen in der Wolke, umso negativer ihr el. Potenzial. Boden kein Elektronen-Überschuss → positiver geladen → Potenzial φ 2 = 0 V. Ein Elektronen-Mangel würde zu positiven Potenzialen führen. c c © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

22 Potenzial-Differenz © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 22 In Wolken und in der Erde gibt es jeweils ein anderes Potenzial. Überdruck Unterdruck Überschüssige Elektronen Elektronen- Mangel Potenzial 1 Potenzial 2 Nicht die Potenziale, sondern der Potenzial-Unterschied zwischen Wolken und Erde erzeugen einen gewissen Druck auf die Elektronen. Je größer die Potenzial- Differenz, um so größer tendieren die Elektronen, zur Erde zu strömen. Ein Potenzial-Unterschied ist die Ursache einer Ladungs- Bewegung. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

23 Aufgabe Potenzial-Differenz © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 23 Aufgabe Batterie Angenommen, φ(-) einer 1,5 V Batterie liege bei 0V. Dann liegt der Plus-Pol der Batterie bei +1,5 V. Definiert man das Potenzial φ(-) dagegen mit -20 V, liegt das Potenzial φ(+) bei -18,5 V. Eine Batterie hat zwei Pole. Hat Minus-Pol ein frei definierbares Potenzial φ(-), der Minus-Pol ein Potenzial φ(+), das positiver ist. φ(+) muss deswegen aber nicht größer als Null sein. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

24 Spannung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 24 Der Potenzial-Unterschied zwischen 1 und 2 ist also der Anlass für die Elektronen, von 1 nach 2 zu fließen. Überdruck Unterdruck Überschüssige Elektronen Elektronen- Mangel Potenzial 1 Potenzial 2 Ein Potenzial-Unterschied heißt “Spannung” Potenziale und Spannungen werden in Volt (V) angegeben. Das Formelzeichen ist φ. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

25 Quiz Spannung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 25Elektrische Größen Gewitterwolke Das elektrische Potenzial einer Gewitterwolke betrage - 2 GV gegenüber dem Erdboden (Potenzial Erde = 0V). Die Gewitterwolke befinde sich 6 km über dem Boden. a)Wie groß ist die Potenzial- Differenz pro Meter ? b)Wie groß ist die Spannung? Überschüssige Elektronen Elektronen- Mangel Potenzial 1 = - 2 GV Potenzial 2 = 0 V c)Wie groß wäre bei gleicher Spannung das Potenzial der Wolke, wenn das Erdpotenzial 0,5 GV betrüge? Potenzial 2 = 0,5 GV Potenzial 1 = -1,5 GV © Prof. Dr. Remo Ianniello

26 Aufgabe Durchschlagsfestigkeit © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 26 Blitz Wie hoch ist die Spannung zwischen einer Gewitterwolke in 3 km Höhe und der Erde, durch die es zum Blitz kommt? Zwischen Wolke und Erde verhindert die Luft eine Entladung. Wird die elektrische Ladung in den Wolken zu groß, findet die Entladung statt → Blitz, Lichtbogen Die Feldstärke E, den die Luft aushält, bis sie durchschlagen wird, nennt man Durchschlagsfestigkeit. Die “Durchschlagsfestigkeit” von Luft beträgt 2 MV/m. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

27 Quiz Spannung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 27 Kennen Sie die typischen Spannungen? © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

28 Widerstand & Spannung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 28 Die Glühlampe in einer Leitung entspricht einem Widerstand. Durch diesen Widerstand baut sich eine Spannung vor und hnter der Glühlampe auf. An einem Widerstand fällt eine Spannung ab. Der Fuß auf dem Schlauch entspricht einem Widerstand. Durch diesen Widerstand baut sich ein Druck- Unterschied vor und hinter dem Fuß auf. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

29 Aufgabe Widerstand und Spannung © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 29 Aufgabe Gewitter Durch einen Widerstand kann eine Spannung aufgebaut werden. Vergleichen Sie diese Situation mit einem Gewitter. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

30 Potenziale im Schaltkreis © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 30 Denn: Die Batterie stellt eine Potenzialdifferenz bereit, die Widerstände bauen sie schrittweise ab. Daher sind an den Bauteilen diese Teilspannungen als Vektoren (U 1, U 2 ) dargestellt. Die Vektoren verknüpfen immer zwei verschiedene Potenziale (Farben). In den Stromkreis sind Bauteile integriert, durch die der Strom auf seinem Weg fließen muss. Vor und hinter den Widerständen ändert sich das Potenzial: Jedes Potenzial hat hier eine Farbe. Vor und hinter einer Spannungsquelle oder einem Widerstand ändert sich das Potenzial. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

31 Aufgabe Potenziale im Schaltkreis © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 31 Farben nutzen Kennzeichnen Sie die verschiedenen Potenziale in diesem Schaltkreis mit unterschiedlichen Farben. Nehmen Sie rot für das positivste und blau für das negativste Potenzial © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

32 Quiz Potenziale im Schaltkreis © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 32 Potenziale erkennen a)Kennzeichnen Sie in der Abb. die Leitungen unterschiedlichen Potenzials farblich. b)Ordnen Sie den Leitungen ein Potenzial in Volt zu, ausgehend von der geerdeten Leitung. φ = -6V φ = 0V φ = 12V © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

33 Aufgabe Potenziale im Schaltkreis © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 33 Zwei Batterien Skizzieren Sie einen Schaltkreis mit den Bauteilen: Zwei Spannungsquellen Drei Widerstände. a)Die Bauteile müssen miteinander so verbunden sein, dass der Strom alle Bauteile einmal durchfließt. b)Kennzeichnen Sie die verschiedenen Potenziale farblich. c)An den Widerständen fällt eine Spannung ab. Zeichnen Sie die Spannungs-Vektoren an die Widerstände. + _ + _ RRR © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

34 Potenziale visualisieren © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 34 Vektor-Diagramm Die Spannungen und Potenziale lassen sich sehr anschaulich in einem Vektordiagramm darstellen. Im Vektor-Diagramm stellen waagerechte Linien die Potenziale dar. Je positiver das Potenzial, umso höher liegt die Linie. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

35 Quiz Potenziale visualisieren © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 35 Vektor-Diagramm Skizzieren Sie das Vektor- Diagramm für die dargestellte Schaltung. Benennen Sie die a)Potenziale mit φ 1, φ 2 und φ 3 b)Spannungen mit U 13, U 12 und U 23. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

36 Spannungsteiler © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 36 Ein Spannungsteiler ist die Grundlage für die meisten Sensoren wie Bewegungsmelder, Fotozelle und Thermostat. Ein Spannungsteiler ist ein Schaltkreis mit zwei Widerständen. An den Widerständen wird die Spannung der Quelle in zwei Teilspannungen geteilt. Ein Spannungsteiler ist ein Schaltkreis, der die Quellenspannung aufteilt. Black Box U ein U aus 1 U aus 2 U ein U aus 1 U aus 2 = + © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

37 Aufgabe Spannungsteiler © Prof. Dr. Remo Ianniello37 Spannungsteiler Skizzieren Sie einen Schaltkreis mit einem Spannungsteiler. Kennzeichnen Sie die verschiedenen Potenziale farblich. Lösungs-Vorschläge © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

38 Fragen © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 38 1)Was passiert an einem Widerstand mit der Spannung? Sie fällt ab. 2)Bei einem Gewitter stellt die Wolke, die Luft oder der Boden den Widerstand dar? Die Luft zwischen Wolke und Boden. 3)Wie kann man Spannungsquellen in einer Skizze vereinfacht darstellen? Durch einen Spannungsvektor von Plus nach Minus. 4)Schaltkreis: An welchen Bauteilen ändert sich das Potenzial? An Spannungquellen und an Widerständen. 5)An welchen Stellen ändert sich das Potenzial nicht? An Verzweigungen der Leitung, sog. „Knoten“. 6)Wohin zeigt der Spannungspfeil, den man in Schaltkreisen neben die Spannungsquelle zeichnet? Von Plus nach Minus 7)Wohin zeigt der Spannungspfeil, den man in Schaltkreisen entlang der Leiter zeichnet? Auch von Plus nach Minus. 8)Autobatterie, Voltmeter: Welche Farbe ordnet man dem Minus-Pol zu? Schwarz. 9)Wie werden Potenziale im Vektor-Diagramm dargestellt, durch Vektoren ? 10)Nein, durch waagerechte Linien in entsprechender Höhe. © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

39 Klausur- Aufgaben © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 39Elektrische Größen

40 © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 40 © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

41 © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 41 © Prof. Dr. Remo Ianniello Elektrische Größen

42 © Prof. Dr. Remo IannielloFolie 42Elektrische Größen


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