PAUL-EHRLICH-SCHULE Lernfeld 3 Chemikanten LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 PAUL-EHRLICH-SCHULE Lernfeld 3 Chemikanten Stoffgrößen und Stoffzustände in der Produktionsanlage erfassen Teil 2: Grundlagen der Elektrik I 1. Ausbildungsjahr (40 Stunden) © H. Zapf

Übersicht zu Teil 2 Grundgrößen der Elektrik LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Übersicht zu Teil 2 Grundgrößen der Elektrik Elektrische Ladung Elektrischer Strom Elektrische Spannung Elektrischer Widerstand Elektrischer Leitwert Widerstand eines drahtförmigen Leiters Temperaturabhängigkeit des Widerstands Ohmsches Gesetz 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Elektrische Ladung LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Elektrische Ladung Die elektrische Ladung hat das Formelzeichen Q und die SI-Einheit: 1 C (Coulomb1). Andere Einheiten der elektrischen Ladung: 1 C = 1 As (Amperesekunde) 3600 As = 1 Ah (Amperestunde) Die elektrische Ladung Q ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elektronenladung e ≈ 1,602·10-19 C, es gilt also: Q = n ·e Die Ladung 1 C entspricht dann etwa der Ladungsmenge von 1 C/1,602·10-19 C ≈ 6,242·1018 Elementarladungen. Gleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab. Ungleichnamige elektrische Ladungen ziehen sich an. _______________ 1 Charles August de Coulomb, französischer Physiker (1736 – 1806) 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Elektrische Grundgrößen Elektrischer Strom LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Elektrische Grundgrößen Elektrischer Strom Unter elektrischem Strom versteht man die gerichtete Bewegung von Ladungen. Ladungen können sowohl Elektronen (e-) als auch Ionen (Kationen(+) und Anionen (−) sein. In einem metallischen Leiter (z.B. Kupfer oder Aluminium) liegt ein Elektronenstrom vor, der Leiterwerkstoff wird dabei nicht verändert. In einem Elektrolyten (z.B. Salzlösung) bewegen sich die Ionen. Der damit verbundene Stofftransport bewirkt eine Veränderung des Elektrolyten. In Nichtleitern (Isolatoren), wie z.B. Glas, Kunststoff fließt (fast) kein Strom. 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Ionenstrom in einem Elektrolyten − Kathode (neg.) Anode (pos.) + - Anionen Kationen 10.11.2018 © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Stromkreis LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Stromkreis Ein elektrischer Strom kann nur in einem geschlossenen Stromkreis fließen. Jeder elektrische Stromkreis besteht mindestens aus Spannungsquelle (z.B. Batterie) Verbraucher (z.B. Glühlampe) Hin- und Rückleiter (z.B. Kupferdraht) Die physikalische Stromrichtung ist für negative Ladungen (Elektronen und Anionen) von – nach + positive Ladungen (Kationen) von + nach – Die technische Stromrichtung ist aus historischen Gründen immer von + nach - 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Stromkreis LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Stromkreis Zum Zeichnen eines Stromkreises verwendet man genormte Symbole: Spannungsmesser Stromstärkemesser Galvanisches Element V Leitung Glühlampe Verbraucher Widerstand A + − 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Elektrische Stromstärke LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Elektrische Stromstärke Die Stromstärke hat das Formelzeichen I und die SI-Basiseinheit 1 A (Ampere1). Andere gebräuchliche Einheiten: kA, mA, µA Die Stromstärke I gibt an, welche Ladung Q pro Zeiteinheit durch den Leiterquerschnitt fließt, also I = Q/t. Wird pro Sekunde eine Ladung von 1 C transportiert (≈ 6,242·1018 Elektronen), ist die Stromstärke I = 1 A. _______________ 1 André Marie Ampère, französischer Physiker (1775 – 1836) 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Elektrische Spannung LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Elektrische Spannung Um elektrische Spannung zu erzeugen, müssen Ladungen getrennt werden. Zur Trennung muss Arbeit (W = F ·s) gegen die elektrischen Anziehungskräfte zwischen den Ladungen verrichtet werden. Die elektrische Spannung gibt an, welche Arbeit pro Ladungseinheit notwendig ist, also U = W /Q. Die elektrische Spannung hat das Formelzeichen U und die SI-Einheit [U] = [W]/[Q] = 1 J/C = 1 V (Volt1) _______________ 1 Allesandro Volta, italienischer Physiker (1774 – 1827) 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Widerstand/Leitwert LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Widerstand/Leitwert Jeder Leiter setzt dem elektrischen Strom einen (unterschiedlich großen) Widerstand entgegen. Der Widerstand hat das Formelzeichen R und die SI-Einheit 1  (Ohm1). Der Leitwert G eines Leiters gibt an, wie gut er den elektrischen Strom leitet. Er ist seinem Widerstand R umgekehrt proportional (G = 1/R) Der Leitwert hat die SI-Einheit 1 S (Siemens2) = 1/ _______________ 1 Georg Simon Ohm, deutscher Physiker (1787 – 1854) 2 Werner von Siemens, deutscher Erfinder (1816 – 1892) 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Widerstand LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Elektrischer Widerstand Der Widerstand eines Leiters hängt ab von der Leiterlänge l (R ~ l) vom Leiterquerschnitt A (R ~ 1/A) vom Leitermaterial (spezifischer Widerstand , R ~ ) von der Temperatur (Einzelheiten: siehe Folie 14 ff) Der elektrische Widerstand eines drahtförmigen Leiters berechnet sich daher mit Der spezifische Widerstand  entspricht zahlenmäßig dem Widerstand eines Leiters der Länge 1 m und dem Querschnitt 1 mm² 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Elektrische Grundbegriffe Elektrischer Widerstand LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Elektrische Grundbegriffe Elektrischer Widerstand Spezifischer Widerstand  in ·mm²·m-1 bei 20°C Leiter  Kupfer (Cu) 0,018 Aluminium (Al) 0,028 Gold (Au) 0,022 Wolfram (W) 0,055 Silber (Ag) 0,016 Quecksilber (Hg) 0,95 Eisen (Fe) 0,13 Konstantan 0,50 Platin (Pt) 0,108 Graphit (C) 12 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Kaltleiter/Heißleiter LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Kaltleiter/Heißleiter Kaltleiter wie die meisten Metalle leiten im kalten Zustand besser als im warmen Zustand, weil bei zunehmender Temperatur die Schwingungen der Atomrümpfe die Bewegung der Elektronen zunehmend behindern. Kaltleiter werden auch als PTC-Widerstände bezeichnet (PTC = positive temperature coefficient) Heißleiter wie Kohle und Halbleitermaterialien leiten im warmen Zustand besser als im kalten Zustand, weil bei zunehmender Temperatur zusätzliche freie Ladungsträger erzeugt werden. Heißleiter werden auch als NTC-Widerstände bezeichnet (NTC = negative temperature coefficient) 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Temperaturabhängigkeit des Widerstands LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Grundgrößen der Elektrik Temperaturabhängigkeit des Widerstands Bei zunehmender Temperatur schwingen die Atomrümpfe stärker um ihre Ruhelage und behindern dadurch den Strom der Elektronen, der elektrische Widerstand nimmt zu. Die Widerstandszunahme R hängt ab vom Kaltwiderstand Rk (R ~ Rk) vom Temperaturunterschied ϑ (R ~ ϑ) vom Material (Temperaturkoeffizient , R ~ ) Zusammengefasst erhält man: R = Rk· · ϑ Für den Warmwiderstand Rw ergibt sich damit Rw = Rk + R = Rk + Rk· · ϑ = Rk·(1+· ϑ ) 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

Elektrische Grundbegriffe Elektrischer Widerstand LF 3 CK (Teil 2: Grundlagen der Elektrik) 10.11.2018 Elektrische Grundbegriffe Elektrischer Widerstand Mittlerer Temperaturkoeffizient  in 1/K (0...100°C) Leiter  Kupfer (Cu) 0,0043 Aluminium (Al) 0,0047 Gold (Au) 0,0039 Wolfram (W) 0,0048 Silber (Ag) 0,0041 Quecksilber (Hg) 0,00092 Eisen (Fe) 0,0066 Konstantan 0,00003 Platin (Pt) 0,0038 Kohle (C) -0,00045 10.11.2018 © H. Zapf © H. Zapf

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Grundgrößen der Elektrik Verständnisfragen Wie verändert sich der Widerstand eines Drahtes, wenn man bei sonst gleichen Bedingungen den Querschnitt verdoppelt? die Länge verdoppelt? die Länge und den Querschnitt vervierfacht? die Länge halbiert und den Querschnitt verdoppelt? den Durchmesser halbiert und die Länge verdoppelt? die Länge bei gleichem Drahtvolumen verzehnfacht, z.B. durch starkes Ziehen? 10.11.2018 © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Antworten zu den Verständnisfragen Der Widerstand ist halb so groß Der Widerstand ist doppelt so groß Der Widerstand ändert sich nicht Der Widerstand ist ein Viertel so groß Der Widerstand ist acht mal so groß Der Widerstand ist hundert mal so groß 10.11.2018 © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Ohmsches Gesetz Bei den meisten Widerständen und bei konstanter Temperatur ist die Stromstärke I in einem Stromkreis um so größer je größer die Spannung U ist: I ~ U je kleiner der Widerstand R ist: I ~ 1/R Andere Formulierung: Bei konstanter Temperatur ist der Quotient aus Spannung U und Stromstärke I konstant. Diesen konstanten Quotient bezeichnet man als (ohmschen) Widerstand R und den Sachverhalt als Ohmsches Gesetz: R =U/I 10.11.2018 © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Beispiele zum Ohmschen Gesetz 1. Beispiel: Wie groß ist der Widerstand eines Trocken-schranks bei einer Betriebsstromstärke von 5,75 A und einer Betriebsspannung von 230 V? Lösung: R=U/I =230 V/5,75 A = 40  Zusatzaufgabe: Wie groß wäre die Strom-stärke bei halb so großer Betriebsspannung? Lösung: halb so groß! I =U/R =115 V/40  = 2,875 A 10.11.2018 © H. Zapf

Grundgrößen der Elektrik Beispiele zum Ohmschen Gesetz 2. Beispiel: Beim Erwärmen eines Widerstandsthermo-meters um 60 °C vergrößert sich der Mess-widerstand um 12,5 . Wie ändert sich die Spannung am Mess-widerstand, wenn ein konstanter Strom von 4,4 mA fließt? Lösung: U = I ·R = 4,4 mA · 12,5  = 55 mV 10.11.2018 © H. Zapf

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Schaltzeichen für Widerstände             Widerstand, allgemein Widerstand (veränderbar, allgemein) Widerstand mit Schleifkontakt, Potentiometer Lichtabhängiger Widerstand (LDR) Kaltleiter (PTC) Heißleiter (NTC) Spannungsabhängiger Widerstand (Varistor) 10.11.2018 © H. Zapf

Farbcodierung von Widerständen Farbe 1. Ring (1. Ziffer) 2. Ring (2. Ziffer) 3. Ring (Multiplikator) 4. Ring (Toleranz) schwarz   1 braun 10 1% rot 2 100 2% orange 3 1000 gelb 4 10000 grün 5 100000 0,5% blau 6 1000000 0,25% violett 7 0,1% grau 8 weiß 9 10.11.2018 © H. Zapf