5 Grundlagen der Elektrotechnik für Schaltberechtigte

5
Grundlagen der Elektrotechnik für
Schaltberechtigte
Dieses Kapitel soll und kann kein Fachbuch in Sachen Elektrotechnik ersetzen. Es
dient als Anregung, um entsprechend ausführliche Fachliteratur zu besorgen (siehe
z. B. Werke des VDE VERLAGs und andere) sowie als fachpraktische Ergänzung
zu vorhandenen Büchern und Berichten in Fachzeitschriften, speziell für den Schaltbetrieb.
5.1
Grundlagen der Elektrotechnik
Hier geht es um die Zusammenhänge zwischen der elektrischen Spannung, dem
elektrischen Strom und dem elektrischen Widerstand, also dem Ohm’schen Gesetz
und dem Kirchhoff’schen Gesetz sowie den physikalischen Größen und den zugehörigen Einheiten.
Aufbau der Materie
Materie ist nicht unbegrenzt teilbar.
Das kleinstmögliche Teilchen einer chemischen Verbindung ist das Molekül. Dieses
besteht aus Atomen. Das Atom ist ein unteilbarer Materiebaustein. Seine Hauptbestandteile sind die Elektronen und der Kern (Protonen und Neutronen) (Bild 5.1.)
Die Ladung eines Elektrons ist die kleinstmögliche elektrische Ladung, die Elementar-Ladung.
Das Proton hat eine gleich große, aber positive Ladung wie das Elektron. Bild 5.2
zeigt ein Wasserstoffatom. Dieses besteht aus einem Proton, einem Neutron und
einem Elektron.
Elektronen
Kern
Bild 5.1 Atom
Elektronen elektrisch negativ geladen, fast masselos
Protonen
elektrisch positiv geladen
Neutronen elektrisch nicht geladen, also neutral
157
–
+
Bild 5.2 Wasserstoffatom
Leiter und Nichtleiter
In Metallen können sich die Elektronen der äußeren Schale verhältnismäßig leicht
vom Atomverband lösen. Sie treten als freie Elektronen auf. Freie Elektronen bewegen sich regellos zwischen den verbleibenden Atomen.
Bei einem elektrisch neutralen Atom ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl
der Elektronen. Fehlt ein Elektron, so überwiegt bei dem betroffenen Atom die
Anzahl der positiven Ladungsträger (Protonen). Ein solches Atom ist dann ein positives Ion. Entsprechend ist bei einem negativen Ion ein Elektron zuviel vorhanden.
Elektronen und Ionen sind Ladungsträger. Stehen sich zwei unterschiedliche Ladungen gegenüber, so entsteht eine elektrische Spannung.
Elektrische Spannung
Darunter versteht man den Unterschied elektrischer Potentiale zweier elektrischer
Ladungen! Die Einheit der Spannung ist das Volt, abgekürzt V.
Die Driftbewegung der Ladungsträger wird dadurch hervorgerufen, dass auf alle
Ladungsträger eine bestimmte Kraft ausgeübt wird. Die Ursache dieser Kraft ist die
elektrische Spannung. Diese wird erzeugt durch:
●
Induktion (magnetische Wirkung)
●
chemische Wirkung
●
Wärme (Thermo-Element)
●
Licht (Foto-Element)
●
Kristallverformung (Piezo-Elektrizität)
Elektrischer Strom
Der Ausgleich der elektrischen Ladung bzw. die Bewegung der Ladungsträger ist
der elektrische Strom. Seine Einheit ist das Ampere, abgekürzt A.
Die Ladungsträger bewegen sich unter dem Einfluss der elektrischen Spannung
innerhalb des Leiters wie in einem reibenden Stoff. Durch diese Reibung erwärmt
sich der Strom führende Leiter. Es entstehen Wärmeverluste.
Ohm’sches Gesetz
Einen einfachen Stromkreis zeigt Bild 5.3.
158
I
A
V U
Bild 5.3 Einfacher Stromkreis
R
Bild 5.4 Versuchsaufbau
In einem Experiment (Bild 5.4) kann nachgewiesen werden, dass Spannung und
Strom einander proportional sind:
U~I
Proportionalität
Oder:
U=R·I
mit der Proportionalitätskonstanten „R“, dem elektrischen Widerstand
Daraus kann das Ohm’sche Gesetz abgeleitet werden:
U
R=
I
Die Einheit für R ist V/A = W = Ohm.
Elektrische Leistung, elektrische Arbeit und Wirkungsgrad
Das Grundgesetz von der Erhaltung der Energie lautet:
Energie kann nicht geschaffen oder vernichtet werden!
Im Heizgerät wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Im Motor
wird elektrische Energie u. a. in mechanische Energie umgewandelt.
Elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom.
U2
R
Die Einheit der elektrischen Leistung ist das Watt, abgekürzt W.
P = U ◊ I = I2 ◊ R =
Für das Drehstromnetz gilt:
P = 3 ◊ U ◊ I ◊ cos j
Elektrische Arbeit ist das Produkt aus Leistung und Zeit:
W = P◊t
W = U ◊ I ◊t
Die Einheit der elektrischen Arbeit ist die Wattstunde Wh oder Wattsekunde Ws.
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