Elektrotechnik I Gleichstrom Elektrisches Feld

Elektrotechnik I
Gleichstrom
Elektrisches Feld
Studium Plus // WI-ET
WS 2015/2016
Prof. Dr. Sergej Kovalev
ET1, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar)
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Ziele
1. Gleichstrom:
1.
2.
3.
4.
Einführende Grundlagen.
Aktive und passive Zweipole, Gleichstromschaltkreise.
Berechnungsmöglichkeiten für Gleichstromschaltkreise.
Begleitende Aufgaben!
2. Elektrisches Feld:
1. Elektrisches Strömungsfeld.
2. Elektrostatisches Feld, Kapazität.
3. Begleitende Aufgaben!
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
• Elektrische Ladungen
• Elektrisches Feld
• Elektrisches Potential
• Elektrischer Strom
• Elektrischer Widerstand
• Elektrische Leistung und Energie
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrische Ladungen
Ladungsträger: Elektron, Proton mit Elementarladung
±e = ±1.602×10-19 As (oder C = Coulomb)
• Atomkerne:
immer positiv, bestehen aus Protonen+Neutronen
• Elektronen:
negative Atomhülle
• Neutrale Atome: Anzahl Protonen und Elektronen gleich
• Ionen:
Elektronen fehlen („+“) oder sind überzählig („-“)
• Ladungsmengen: nur ganzzahliges Vielfaches n der Elementarladung ±e
q=n·e
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrische Ladungen
Reibungselektrizität:
Aufladung durch mechanische Reibung zwischen zwei unterschiedlichen Werkstoffen
Negativ ß---------------------------- 0 ------------------------------------------à Positiv
Ebonit, Bernstein, Teflon, Holz, Stahl, Papier, Al, Seide, Katzenfell, Glas, Haar
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
1000 ×
Sonnen
zu einer…
Mücke!
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Kraftwirkung zwischen Ladungen
•
Kräfte auf bewegte Ladungen:
• Elektromagnetische Kräfte: hängen in komplizierter Weise von der
Ladung und deren Bewegung ab.
• Frage: Wie kann man Kräfte zwischen vielen, evtl. bewegten Ladungen
nach Betrag und Richtung ausrechnen?
• Antwort: indem man den Begriff Feld einführt.
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrisches Feld
F = mg
g = 9,81 m/s²
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrisches Potenzial
• Potenzielle Energie vom elektrischen Feld.
• Wie Analogiebetrachtung zwischen Gravitationsfeld und elektrischem Feld.
Feldbilder einiger Punktladungen:
a)
b)
c)
d)
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Positive Ladung Q+
Negative Ladung QZwei Positive Ladungen Q+
Eine positive Ladung Q+ und
eine negative Q-
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrischer Strom
• Was ist das?
• Warum fließt der Strom?
• Wie lange fließt der Strom?
Bewegung der Ladungsträger!
Aufgrund einer elektrischen Spannung!
Solange eine Spannung existiert!
• In welche Richtung fließt der Strom???
• Technische Stromrichtung (Bild): von „+“ zu „-“
• Die Elektronen bewegen sich entgegengesetzt!!!
Technische Stromrichtung
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrischer Widerstand
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrischer Widerstand
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Elektrischer Widerstand
Höherer Widerstand à kleinerer Strom
(lineare Widerstände!)
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Grundbegriffe des Gleichstromkreises
• Stromkreis hat mindestens 3 Teile:
• Erzeuger (Quelle, Batterie)
• Verbraucher (Glühlampe, Motor)
• Übertragung (Leitung, Kabel, Schalter)
• Verbraucher: Umwandlung von elektrischer Energie in nichtelektrische
• Erzeuger (Quelle):
Umwandlung von nichtelektrischer in elektrische Energie
• Schaltzeichen werden für die Beschreibung der elektrischen Vorgänge benutzt
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Beispiele für Schaltzeichen
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
Kennzeichnung von Spannungen und Strömen
Zählpfeile mit folgender positiven Richtung:
•
•
•
•
Spannungen:
Ströme:
Verbraucher:
Erzeuger:
vom +Pol zu –Pol
Bewegungsrichtung positiver Ladungsträger (von + zu -)
Zählpfeile für positive Spannung und Strom gleichgerichtet
Zählpfeile für positive Spannung und Strom entgegengerichtet
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1. Gleichstrom
1.1 Grundbegriffe und Werkzeuge
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1. Gleichstrom
Aufgaben 1.1
Grundsätzlich sollte bei der Bearbeitung von Aufgaben oder Problemstellungen zunächst
immer die Schaltung skizziert werden.
1) Ein ohmscher Widerstand von 10 Ohm wird an eine Spannungsquelle von 100V
angeschlossen.
a) Bestimmen Sie den elektrischen Strom I durch den Widerstand.
b) Wie ändert sich quantitativ der Strom I, wenn die Spannung um 10% erhöht wird?
2) Bei einer Spannungsquelle von 12V wird ein Entnahmestrom von 500mA gemessen.
a) Bestimmen Sie den ohmschen Widerstand im Lastkreis.
b) Die Versorgungsspannung fällt auf 10V ab. Wie muss sich quantitativ der Widerstand
ändern, damit der Laststrom konstant bleibt?
3) Ein einfacher Stromkreis besteht aus einer idealen Spannungsquelle und einem
idealen Widerstand.
a) Wie ändert sich der im Stromkreis fließende Strom, wenn der Leitwert des
Widerstandes halbiert wird?
b) Wie ändert sich der Strom, wenn der Widerstand halbiert wird und sich die
Versorgungsspannung verdoppelt?
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1. Gleichstrom
Aufgaben 1.1
4) Ein Kupferleiter hat bei einer Temperatur von 20°C einen Widerstand von 10 Ohm.
a) Um wieviel Prozent erhöht sich der Widerstand bei einer Temperaturerhöhung um
10K?
b) Wie groß muß die Temperaturänderung sein, damit der Widerstand um 10% steigt?
5) Die im Bild eingezeichnete Glühbirne besitzt bei einer Nennspannung von 12V eine
Leistung von 36W. Die Glühbirne wird über einen Schalter S an eine Batterie
angeschlossen. Die Batterie hat einen Innenwiderstand von Ri=500 mOhm
Fragen:
a) Wie groß ist der Widerstand RGB der Glühbirne?
b) Wie groß ist der Strom IGB (im Nennbetrieb) durch die Glühlampe?
c) Wie groß ist die Spannung Uq der Spannungsquelle, wenn die Lampe mit Nenn-
spannung betrieben wird?
d) Wieviel Energie wird in der Glühlampe umgesetzt,
wenn sie 10 Stunden brennt?
e) Wieviel Energie liefert während dieser Zeit die
Batterie?
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