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Lehrveranstaltungen

Ziel der Lehrveranstaltung

Verständnis der grundlegendenGesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre

Anwendung dieser Gesetze

bei ausgewähltenAufgabenstellungen

Ziel der Lehrveranstaltung

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LehrveranstaltungenLehrveranstaltungen

Elektrotechnische GrundlagenWS 14/15

Vorlesung (2)

ITS: Haiml, ITSB:Haiml

Übungen (1)

ITS: Haiml, ITSB: Benedikter

Laboratorium(2)

ITS: Haiml, LindmoserITSB: Benedikter

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Schriftliche Unterlagen

Grundlagender Elektrotechnik

WS 14/15

Grundlagender Elektrotechnik

WS 14/15

Vorlesung

Folienliegen am Moodle-ServerElearn.fh-salzburg.ac.at

Vorlesung

Folienliegen am Moodle-ServerElearn.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)

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Prüfungen

Vorlesung

Eineschriftliche Klausurarbeit

In der letzten (14.) Einheit über den gesamten Semesterstoff

oderZwei Teilklausuren (7 und 14 Einheit)

Dabei werden die Punkte addiert.

Positiv ab 50%

Für die integrierte Übung wird diese Note übernommen

Vorlesung

Eineschriftliche Klausurarbeit

In der letzten (14.) Einheit über den gesamten Semesterstoff

oderZwei 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%

Laboratorium

Beurteilt wird die Mitarbeit zu 30%

Die Vorbereitung auf die Übung

zu 20%

und die schriftliche Ausarbeitung

der Arbeiten. 50%

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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 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)

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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.

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Stromerzeugung = Energieumwandlung

Solarkraftwerke

E=h*f E= U*I*t

Werfenweng – Reiterbauer

Loser / Bad Aussee, EnergieAG

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Stromerzeugung = Energieumwandlung

Solar-thermischeKraftwerke

Sonnenstrahlung (E=n*h*f ) wird gebündelt und erwärmt die absorbierende Materie,

Diese Wärmeenergie Q wird mit dem Wirkungsgrad mittels eines kalorischen Kraftwerks in elektrischen Strom umgewandelt.

*Q = E= U*I*t

"Sonnenofen" von Odeillo in den französischen Pyrenäen

"Kramer Junction" / Kalifornische Wüste, Leistung der Anlage 30 MW

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Stromerzeugung = Energieumwandlung

Aufwind-Kraftwerke

Windturbine im Kamin

treibt Elektrogenerator

E= U*I*t

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Stromerzeugung = Energieumwandlung

Windkraftwerke

Bewegungsenergie

E = 1/2 m.v² (Wind)

E = 1/2 ² (Rotation)= Massenträgheitsmoment = Winkelgeschwindigkeit

E= U*I*t (el.

Strom)Parndorf

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Stromerzeugung = Energieumwandlung

Speicherkraftwerke

E=m*g*h (potenzielle Energie)

E = U*I*t

(potenzielle Energie)

• Moserboden – Wasserfallboden• Enzingerboden

1 Liter Wasser fließt 360m hinab: 1 kg* 9,81m/s²*360m=3530Nm = 3530Ws = ca. 1Wh

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Stromerzeugung = Energieumwandlung

Kalorische Kraftwerke

E= m*H

E= U*I*t

m…Masse,

H…Heizwert Steinkohle: 30 MJ/kg

1kg Steinkohle enthält E= m*H = 1kg *30MWs/kg =

8,333 kWh

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Stromerzeugung =Energieumwandlung

Brennstoffzellen oxidieren Wasserstoff

2H2+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*tBrennstoffzellen für den PKW (Honda)

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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)

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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“

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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.

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Elektr. Ladung als Grundelement

Eine Ladung erzeugt ein elektrisches Feld E im Raum rundherum (Zentralpotential)

E = Q1/r2 * 1/(40) …… 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/(40) ……elektrische Kraft zw. Q1 und Q2 = Ladung x Feldstärke (Kraft ~ 1/r² )

Epot=∫ F*dr = -Q1*Q2/r * 1/(40 ) ….. 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.

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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

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Elektrischer Strom

Bewegte elektrische Ladung ist „Strom“ Der elektrische Strom hat die SI-Basiseinheit 1Ampere

I = Q/t bei Gleichstrom [I] = 1Ai = 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

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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

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Ladungsänderung bedeutet Strom

Verschiedene Stromarten: 1) Gleichstrom, 2) schwankender Strom, 3) pulsierender Strom, 4) Wechselstrom.

Die strömende Ladungsmenge (Quantum Q) ist allgemein Q = ∑k Iktkbzw. Q = ∫ i(t) dt, [Q]= 1 A*s

mathematisch gesehen: die Fläche unter der Stromkurve.

+0-

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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.

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Stromdichte

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 = d2

Rechteckprofil A = b.h

Hohlprofil rechteckig A = (ba.ha)- (bi.hi)

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Stromdichte

Ladungsmenge Q = Ladungsdichte n * Volumen V * Ladung qe

Q = n.V.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)

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 Ladungen N sind in diesem Volumen?

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Beispiel

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 * 6,022.1023 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 )

Wie groß ist die Ladungsträgerdichte im Kupferdraht?

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Beispiel

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

qe 1.6021019 A s

NA 6.0231023 mol

1

8.9g

cm3

M 63.5g

mol

v 0.394mm

sv

I

n qe Abzw.. v

S

n qe

Geschwindigkeit v:

==> auflösen nach vS n qe v

Stromdichte = Ladungsträgerdichte * Geschwindigkeit

________________________________________________________________

SI

AA 1.50mm

2I 8A

Strom Querschnittsfläche Stromdichte

________________________________________________________________

n 0.8441023cm

3nMNA

LadungsträgerdichteAnzahl der Leitungselektronen im Kubikzentimeter ( = Atomanzahl bei Cu)

_________________________________________________________________

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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 Elektronikfür 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!