Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung

Präsentation zum Thema: "Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung"—  Präsentation transkript:

1 Lehrveranstaltungen Ziel der Lehrveranstaltung
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2 Elektrotechnische Grundlagen
Lehrveranstaltungen Lehrveranstaltungen Elektrotechnische Grundlagen WS 14/15 Vorlesung (2) ITS: Haiml, ITSB:Haiml Übungen (1) ITSB: Benedikter Laboratorium(2) ITS: Haiml, Lindmoser ETG1v10.ppt

3 Schriftliche Unterlagen
Grundlagen der Elektrotechnik WS 14/15 Vorlesung Folien liegen am Moodle-Server Elearn.fh-salzburg.ac.at Übungen Integriert in die Laboratorium Anleitungen liegen am Moodle-Server (4-er Block) ETG1v10.ppt

4 Prüfungen Vorlesung Laboratorium 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% Für die integrierte Übung wird diese Note übernommen Laboratorium Beurteilt wird die Mitarbeit zu 30% Die Vorbereitung auf die Übung zu 20% und die schriftliche Ausarbeitung der Arbeiten. 50% ETG1v10.ppt

5 Literaturempfehlung Deimel, Hasenzagl,…Grundlagen der Elektrotechnik 1 , Veritas Sehr gutes, allgemein verständliches Lehrbuch ohne höhere Mathematik. ( mit CD ) Übungsaufgaben: Lindner, Elektro Aufgaben !!, 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 unseren Stoff thematisch und schwierigkeitsmäßig bestens abdecken. Simulation von Schaltungen: Robert Heinemann, PSPICE mit CD (student vers.), Hanser Dieter Zastrow, Elektrotechnik, Vieweg-Verlag ( FH-Bibliothek) ETG1v10a.ppt

6 Energieumwandlung Inhaltsübersicht heute Energie-Umwandlung
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. Inhaltsübersicht heute Energie-Umwandlung Elektrische Ladung Elektrischer Strom ETG1v10.ppt

7 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Solarkraftwerke E=h*f  E= U*I*t Loser / Bad Aussee, EnergieAG Werfenweng – Reiterbauer ETG1v10.ppt

8 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Solar-thermische Kraftwerke Sonnenstrahlung (E=n*h*f ) wird gebündelt und erwärmt die absorbierende Materie, Diese Wärmeenergie Q wird mit dem Wirkungsgrad h mittels eines kalorischen Kraftwerks in elektrischen Strom umgewandelt. h*Q = E= U*I*t "Sonnenofen" von Odeillo in den französischen Pyrenäen "Kramer Junction" / Kalifornische Wüste, Leistung der Anlage 30 MW ETG1v10.ppt

9 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Aufwind- Kraftwerke Windturbine im Kamin treibt Elektrogenerator E= U*I*t ETG1v10.ppt

10 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Windkraftwerke Bewegungsenergie E = 1/2 m.v² (Wind) E = 1/2 ² (Rotation) = Massenträgheitsmoment = Winkelgeschwindigkeit  E= U*I*t (el. Strom) Parndorf ETG1v10.ppt

11 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Speicherkraftwerke E=m*g*h (potenzielle Energie)  E = U*I*t Moserboden – Wasserfallboden Enzingerboden 1 Liter Wasser fließt 360m hinab: 1 kg* 9,81m/s²*360m=3530Nm = 3530Ws = ca. 1Wh ETG1v10.ppt

12 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Kalorische Kraftwerke E= m*H  E= U*I*t m…Masse, H…Heizwert Steinkohle: MJ/kg 1kg Steinkohle enthält E= m*H = 1kg *30MWs/kg = 8,333 kWh ETG1v10.ppt

13 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Brennstoffzellen oxidieren Wasserstoff H2+O2=2H2O „kalte Verbrennung“ setzt 68,3*4,19 kJ pro mol H2O liq frei oder Methan CH4 CH4 +2O2 = CO2+H2O  E= U*I*t Brennstoffzellen für den PKW (Honda) ETG1v10.ppt

14 Stromerzeugung = Energieumwandlung
Überall dort, wo Kraftfelder wirksam werden, 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) ETG1v10.ppt

15 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“ ETG1v10.ppt

16 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. ETG1v10.ppt

17 Elektr. Ladung als Grundelement
Eine Ladung erzeugt ein elektrisches Feld E im Raum rundherum (Zentralpotential) E = Q1/r2 * 1/(40) …… el. Feldstärke(Vektor!) , Ladung Q (Skalar) 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/(40) ……elektrische Kraft zw. Q1 und Q2 = Ladung x Feldstärke (Kraft ~ 1/r² ) Epot=∫ 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. ETG1v10.ppt

18 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. ETG1v10.ppt

19 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 ETG1v10.ppt

20 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 ETG1v10.ppt

21 Ladungsänderung bedeutet Strom
+ - Verschiedene Stromarten: 1) Gleichstrom, 2) schwankender Strom, 3) pulsierender Strom, 4) Wechselstrom. Die strömende Ladungsmenge (Quantum Q) ist allgemein Q = ∑k Ik*Dtk bzw. Q = ∫ i(t) dt, [Q]= 1 A*s mathematisch gesehen: die Fläche unter der Stromkurve. ETG1v10.ppt

22 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. ETG1v10.ppt

23 Stromdichte = Strom / Querschnittsfläche S=I/A
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 = r2 = d2p /4 Rechteckprofil A = b.h Hohlprofil rechteckig A = (ba.ha)- (bi.hi) ETG1v10.ppt

24 Stromdichte Wie viele Elektronenladungen fließen pro Sekunde bei einem Strom I durch den Querschnitt A eines Drahtes? Durchströmendes Volumen: DV = Querschnitt A mal Länge s : DV = A.s Länge des Zylinders: s = v.t Wie viele Ladungen N sind in diesem Volumen? Ladungsmenge DQ = Ladungsdichte n * Volumen DV * Ladung qe Q = n.DV.qe = n.A.v.qe.t Strom I = Ladungsmenge pro Zeitintervall: I = Q/t = n.qe.A.v Daraus die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen  v= I/(n.qe.A) ETG1v10.ppt

25 Beispiel Wie groß ist die Ladungsträgerdichte im Kupferdraht?
In einem mol Kupfer befinden sich NA = 6,022*1023 Atome. (Avogadrozahl) Die Masse von 1 mol Kupfer ist so groß wie die Atommasse von Cu in Gramm.  6,022*1023 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 sind N = 0,140 mol/cm³ * 6, Atome/mol = 0,846*1023 Atome/cm³. Da jedes Cu-Atom im Mittel ein Leitungselektron zur Verfügung stellt, ist dies zugleich auch die Zahl der Elektronen pro cm³. In einem cm³ Kupfer stehen für die elektrische Leitung zirka 0,8*1023 zur Verfügung. (=Ladungsdichte n ) ETG1v10.ppt

26 Beispiel Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Leitungs-Elektronen bei I= 8 Ampere in einem Kupferdraht mit A=1,5 mm² Querschnitt? ETG1v10.ppt

27 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 ! Viel Spaß dann bei der Eröffnungsparty und einen guten Studienbeginn! ETG1v10.ppt