Elektrische Ladung
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Meisterkurs Bienenwirtschaft Elektrotechnik 17.10.2010 © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 1 Elektrizitätsversorgungsstruktur © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrische Ladung Mit der elektrischen Ladung beschreibt man den Elektronenmangel oder den Elektronenüberschuss. Elektrische Ladung kann ganz einfach durch Reibung entstehen (elektrisieren). Dabei werden entweder Elektronen weggenommen oder Elektronen angehäuft. Dabei entsteht Elektronenmangel (positive Ladung) oder Elektronenüberschuss (negative Ladung). Ungleiche Ladungen erstreben einen Ausgleich. Durch dieses Ausgleichsbestreben resultiert der elektrische Strom. Die elektrische Spannung ist der Ladungsunterschied zwischen zwei Ladungen. Je höher der Unterschied, desto höher die Spannung. Gleiche Ladungen stoßen sich ab! Ungleiche Ladungen ziehen sich an! Ungleiche Ladungen Ausgleichsbestreben Überschüssige Elektronen neigen dazu zu der Ladung mit der geringeren Anzahl an Elektronen überzugehen. Gleiche Ladungen © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 3 Elektrischer Strom / Elektrische Stromstärke Der elektrische Strom ist das Ausgleichsbestreben von zwei unterschiedlichen Ladungen. Die Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein. Die gezielte und gerichtete Bewegung freier Ladungsträger ist der elektrische Strom. Er kann aber nur fließen, wenn zwischen den unterschiedlichen Ladungen genügend frei bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Zum Beispiel durch ein leitfähiges Material (Metall, etc.). Stromfluss Der Stromfluss wird gerne mit fließendem Wasser in einem Rohr verglichen. Je mehr Wasser im Rohr ist, desto mehr Wasser kommt am Ende des Rohres an. Genauso ist es auch beim elektrischen Strom. Je mehr Elektronen vorhanden sind, desto größer ist die elektrische Stromstärke durch den Leiter. Zur zahlenmäßigen Beschreibung des elektrischen Stromes dient die elektrische Stromstärke. Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch einen Leiter fließen, umso größer ist die Stromstärke. Formelzeichen Das Formelzeichen des elektrischen Stroms bzw. der elektrischen Stromstärke ist das große I. Maßeinheit Die gesetzliche Grundeinheit des elektrischen Stroms ist 1 Ampere (A). © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 4 Elektrische Spannung Die elektrische Spannung U gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlicher Ladung. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der Elektronenmenge nennt man elektrische Spannung. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom I. Über die elektrische Spannung kann folgende Aussagen gemacht werden: Die elektrische Spannung ist der Druck oder die Kraft auf freie Elektronen. Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stromes. Die elektrische Spannung (Druck) entsteht durch den Ladungsunterschied zweier Punkte. Die elektrische Spannung entsteht durch das Ausgleichsbestreben von elektrischen Ladungen. Formelzeichen Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist das große U. Maßeinheit Die gesetzliche Grundeinheit der elektrischen Spannung sit 1 Volt (V). Formeln zur Berechnung © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 5 Elektrischer Widerstand Die Bewegung freier Ladungsträger im Inneren eines Leiters hat zur Folge, dass die freien Ladungsträger gegen Atome stoßen und in ihrem Fluss gestört werden. Diesen Effekt nennt man einen Widerstand! Durch diesen Effekt hat der Widerstand die Eigenschaft, den Strom in einer Schaltung zu begrenzen. Der elektrische Widerstand wird auch als ohmscher Widerstand bezeichnet. In der Elektronik spielen Widerstände eine sehr große Rolle. Neben den klassischen Widerständen hat jedes andere Bauteil einen Widerstandswert, der Einfluss auf Spannungen und Ströme in Schaltungen nimmt. Formelzeichen R Das Formelzeichen des elektrischen Widerstands ist das große R. Es steht für die englische Bezeichnung Resistor (=Widerstand). Maßeinheit Die Maßeinheit für den elektrischen Widerstand ist Ohm mit dem Kurzzeichen Ω (Omega) aus dem griechischen Alphabet. © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Megaohm 1 MΩ 1 000 000 Ω 106 Ω Kiloohm 1 kΩ 1 000 Ω 103 Ω Ohm 1Ω 1Ω 100 Ω Milliohm 1 mΩ 0,001 Ω 10-3 Ω Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 6 Der elektrische Stromkreis Jeder elektrische Stromkreis besteht im Wesentlichen aus: •Spannungsquelle bzw. Stromquelle •Leitung •Verbraucher In der Spannungsquelle (z.B. Batterie oder Steckdose) steht elektrische Energie in Form getrennter Ladung zur Verfügung. Die Leitung dient als Transportweg für die elektrische Energie, die als elektrischer Strom zwischen Spannungsquelle und dem Verbraucher fließt. Im Verbraucher wird die durch die Spannungsquelle erzeugte Energie in eine andere Energieform umgewandelt (z.B. Wärme (Elektroofen), Lichtenergie (Lampe), Bewegung (Elektromotor)). Umgangssprachlich spricht man auch davon, dass Energie "verbraucht" wird. Im Verbraucher wird dem elektrischen Strom ein Widerstand entgegengesetzt. Die elektrische Spannung ist die Ursache, die einen elektrischen Strom bewirkt. Der Strom ist also die Wirkung der elektrischen Spannung © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 7 Elektrische Leistung Die elektrische Leistung ist ein Wert, den wir in der Elektronik und Elektrotechnik in den unterschiedlichsten Definitionsausprägungen vorfinden. Die Gemeinsamkeit aller Leistungen (bei Gleichspannungen), ist die Maßeinheit und das Formelzeichen Formelzeichen Das Formelzeichen der elektrischen Leistung ist das große P. Maßeinheit Die Grundeinheit der elektrischen Leistung ist das Watt (W) oder auch Voltampere (VA). Letzteres ergibt sich aus der Berechnung durch Spannung und Strom. Die Angabe der Maßeinheit VA findet man häufig auf Transformatoren und Elektromotoren. Megawatt 1 MW 1 000 000 W 106 W Kilowatt 1 kW 1 000 W 103 W Watt 1W 1W 100 W Milliwatt 1 mW 0,001 W 10-3 W Mikrowatt 1 µW 0,000 001 W 10-6 W Bei Kraftfahrzeugen, Lokomotiven und Elektromotoren wurde bis zum 31.12.1977 die Leistung in Pferdestärke (PS) angegeben. Heute benutzt man die Leistungsangabe in kW. Umrechnung: 1 PS = 736 Watt Formeln zur Berechnung Die elektrische Leistung ist rechnerisch ein Produkt aus elektrischer Spannung und elektrischem Strom. Je größer die Spannung oder der Strom ist, desto größer ist die Leistung. Ähnlich, wie die Größe Fläche durch Längen- und Breitenangaben beeinflusst wird. © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 8 Elektrische Leistung P, Q, S Verfügbare Leistung Die verfügbare Leistung ist die Leistung, die eine Strom- bzw. Spannungsquelle liefern kann. Ein Gleichspannungsnetzteil mit den Maximalwerten 30 V und 2 A hat eine Ausgangsleistung von maximal 60 W. Allerdings nur bei einer Ausgangsspannung von 30V. Nutzleistung Die Nutzleistung ist die Leistung, die ein Verbraucher im Normalbetrieb (!) benötigt bzw. verbraucht. Durch eine Glühbirne mit 60 W, die in einer Lampe an 230 V betrieben wird, fließt ein Wechselstrom von 0,261 A. Wirkleistung (P), Scheinleistung (S) und Blindleistung (Q) Ein ohmscher Widerstand setzt seine aufgenommene Leistung vollständig in Wärme um. Man nennt das Wirkleistung. Diese Leistung ist in der Einheit Watt (W) angegeben. Hat ein Verbraucher neben dem ohmschen Widerstand auch induktive und kapazitive Anteile, dann entsteht zwischen Strom und Spannung eine zeitliche Verschiebung, auch Phasenverschiebung genannt. Neben der Wirkleistung ist deshalb auch eine Blindleistung (VAr) vorhanden, die nicht in Wärme umgewandelt wird. Stattdessen wird die Blindleistung mit der Frequenz der Wechselspannung hin- und hergeschoben. Die Blindleistung wird nicht verbraucht, also auch nicht als Stromverbrauch berechnet. Sie muss trotzdem vom Stromlieferanten bereitgestellt werden. Ist bei der Leistungsaufnahme eines Geräts Blindleistung dabei, dann wird diese Leistung als Scheinleistung bezeichnet. Die Scheinleistung wird in Voltampere (VA) angegeben. Voltampere soll zum Ausdruck bringen, dass in der Leistung neben der Wirkleistung auch Blindleistung enthalten ist. Üblicherweise spricht man bei Wechselstrom- und Wechselspannungsverbraucher von Scheinleistung. Auf vielen elektrischen Verbrauchern ist die Scheinleistung auf dem Typenschild angegeben. Häufig wegen dem eingebauten Transformator. Bei Gleichspannung, ist die Scheinleistung gleich der Wirkleistung P. Die Scheinleistung ist in der Regel größer als die Wirkleistung © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 9 Wirk-, Blind- und Scheinleistung © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 10 Elektrische Arbeit Elektrische Arbeit = Leistung × Zeit W= P×t in Ws (Wattsekunden) bzw. kWh (Kilowattstunden) Wenn eine Leistung von 1kW (=1.000 W) eine Stunde lang verrichter wird = 1 kWh Die elektrische Arbeit wird vom Zähler gezählt und ist zu bezahlen! Durch Multipoikation der kWh mit dem entsprechenden Stromtarif können die Stromkosten berechnet werden Elektrische Arbeit = Spannung × Strom × Zeit W=U×I×t Beispiele: Ein Elektrogerät mit 2.200 Watt soll an einen Stromkereis (230V), der mit einer 6 A Sicherung abgesichert ist, angeschlossen werden. Ist das möglich? P=U*I -> I= P/U = 2.200 W /230 V = 9,7 A NEIN 9,7 A > 6 A Ein elektrisches Heizgerät mit einer Leistung von 2.200 W bleibt 10 Stunden eingeschaltet. Wie hoch sind die Stromkosten bei einem kWh-Preis von € 0,14 W = P*t (Arbeit = Leistung x Zeit) 2.200 W = 2,2 kW*10 h = 22 kWh * € 0,14 = € 3,08 © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 11 Berechnung der Stromkosten •die Wirkleistung (Angabe in Watt (z.B. 60 W) oder Kilowatt (z.B. 2 kW) •die Zeitdauer in der das Gerät eingeschaltet ist in Stunden •sowie den Preis in Euro pro Kilowattstunde ein. Wirkleistung =W Zeit =h Kosten pro kWh = EUR/kWh © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 12 Stromarten Es werden drei Stromarten unterscheidet man: • Gleichstrom = – Eigenschaften: • Fließt in die gleiche Richtung • Lässt sich nicht transformieren • Lässt sich Speichern (Batterie) • Wechselstrom – Eigenschaften: • 230 V / 50Hz • Ändert ständig seine Größe und Richtung (zwei Richtungen) • Lässt sich transformieren • Drehstrom Dreiphasenwechselstrom – Eigenschaften: • 3 Phasen 400 V / 50 Hz © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 13 Drehstrom - Dreiphasenwechselstrom Tesla ist der Erfinder von Wechselstrom und Drehstrom der bald seinen Siegeszug antrat und weltweit Anwendung fand. Ohne diese Erfindung von Tesla, die es erst möglich machte, elektrischen Strom über viele hunderte von Kilometern zu übertragen, gäbe es die heutige Selbstverständlichkeit der Elektrizität mit ihrer enorm vielseitigen Anwendung nicht. Der Drehstrom ist ein Wechselstrom mit drei Phasen (Stromführende Leitungen). Der Begriff Drehstrom ist aus der Erzeugung abgeleitet. Dabei werden drei Spulen im 120°-Abstand rund um ein sich drehendes Magnetfeld angeordnet. Dadurch entstehen drei um 120° phasenverschobene sinusförmige Wechselspannungen. Betrachtet man im Diagramm die drei Phasen auf der Zeitachse zu einem bestimmten Zeitpunkt, so stellt man fest, dass die Summe der drei Wechselspannungen an jeder Stelle Null ist (im Diagramm oben sind die Sinusschwingungen nicht optimal gezeichnet). © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 14 Ohmsches Gesetz Der Physiker Georg Simon Ohm hat den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand festgestellt und nachgewiesen. Nach ihm wurde das Ohmsche Gesetz benannt. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzes lassen sich die drei Grundgrößen eines Stromkreises berechnen, wenn mindestens zwei davon bekannt sind. Die drei Grundgrößen sind Spannung, Strom und der Widerstand. Formeln des Ohmschen Gesetzes Das Ohmsche Gesetz kennt drei Formeln zur Berechnung von Strom, Widerstand und Spannung. Voraussetzung ist, das jeweils zwei der Grundgrößen bekannt sind. 𝐈= 𝐔 𝐑 𝐔=𝐑∗𝐈 𝐔 𝐑= 𝐈 Liegt an einem Widerstand R die Spannung U, so fließt durch den Widerstand R ein Strom I. Fließt durch einen Widerstand R ein Strom I, so liegt an ihm eine Spannung U an. Soll durch einen Widerstand R der Strom I fließen, so muss die Spannung U berechnet werden. Praxis-Tipp: Das Magische Dreieck Das magische Dreieck kann als Hilfestellung verwendet werden um die verschiedenen Formeln des Ohmschen Gesetzes zu ermitteln. Den Wert, der berechnet werden soll, wird herausgestrichen. Mit den beiden übrigen Werten wird das Ergebnis ausgerechnet. Damit man sich die Reihenfolge der Werte merken kann, prägt man sich das Wort URI ein. © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 15 Auswirkung von elektrischen Strom auf den Menschen © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 16 Einfuss und Rettung bei elektrischer Stromeinwirkung • • • • Grenzspannung für Menschen 50 V Grenzspannung für Tiere 24 V Grenzstromstärke 50 mA Tötungszeit 0,5 - 1,0 sec Muskellähmung – Kammerflimmern – Tod Rettung: • • • • © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Stromkreis unterbreche Herausschalten oder Herausreißen aus dem Stromkreis Kopfzurücknahme, Beatmung (in der ersten Minute!) Herzmassage ( in den ersten Minuten) -> Notruf Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 17 Schutzeinrichtungen • Leitungs- und Motorschutz • 1. Sicherungen – a) Schmelzsicherungen: • Silberdraht schmilzt bei Übersteigen der Amperezahl – nicht flicken! • U.a. gibt das Kennfarbblättchen Auskunft über die Stärke der Sicherung • Es gibt flinke und träge Sicherungen – b) Leitunsschutzschalter: • Über Magnetspule und Bimetall wird abgeschaltet – wiederverwendbar – Überlastungsarten: – Kurzschluss – Zu starke Geräte – Zu viele Geräte • 2. Motorschutzschalter – Schützt Motoren vor Überlastung – schalter ab. – Wann ist der Motorschutzschalter vorgeschrieben? • Bei unbeaufsichtigte Geräte (Mühlen, Pumpen usw.) • Bei automatisch geschalteten Motoren © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 18 Schutzarten • Schutzisolierung – – – – • Kleinspannung – – • Der Erdleiter ist gelbgrün gefärbt, bei Altinstallationen rote Kabel möglich. Fundamenterder – • Er schützt vor Fehlerstrom auf Gehäusen von geerdeten Geräten. Meist werden FI-Schalter verwendet, die bei Fehlerströmen von 30 mA abschalten. Schutzerdung – • Durch einen Trenntrafo wird die leitungsmäßige Trennung vom Netz durch geführt Anwendung: Rasiersteckdose Fehlerstromschtzschahter (FI-Schalter) – – • Durch einen Trafo wird die Spannung auf ungefährliche Bereiche reduziert Anwendung: Spielzeug, Schutztrennung – – • Zusatzlich zur Betriesisollierung bei Bohrmaschinen, Haushaltsgeräten,… Isolierelemente verhindern Stromkontakt durch Mensch und Tier. Bei Geräten immer auch das Sicherheitszeichen (ÖVE-Zeichen) beachten! Symbol für Schutzisolierte Geräte Verzinkter Band- oder Rundstahl, der beim Bau des Hauses im Betonfundament mit verlegt wird. In ihm enden Erdungen und Blitzableiter. Potentialausgleich und Potentialsteuerung – – Alle Metallteile werden gut leitend miteinander verbunden, sadass keine gegenseitigen Spannungen auftreten können bzw. ein Fehlerstrom sofort abgeleitet wird. Anwendungen: Stallungen © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 19 Fehlerquellen • Sichtbare Fehler, die durch den Laien erkennbar sind (Schalter ohne Deckel, Stecker gebrochen, blanke Kabel,…) müssen sofort von einem Fachmann repariert werden. • Geräte und Anlagengehäuse stehen unter Strom – Vor diesen Fehlern schützen die Schützmassnahmen. Daher: Vor Arbeiten an einer elektrischen Anlage oder Gerät unbedingt Strom abschalten und mit geeigneten Geräten nachprüfen, ob noch Spannung an den Leitungen oder am Gerät vorhanden ist! © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 20 Vorzeichen Technischer Einheiten Diese Vorzeichen werden zum vereinfachten Ausdrücken von Potenzen verwendet.z. B. 1kg = 1 Kilogramm = 1000g = 1 3g Die Nachfolgende Tabelle erläutern alle gebräuchlichen Vorzeichen Vorzeichen © WL. IM. Ing. Walter VELIK 2010 Symbol Zahl multiplizieren mit Zehnerpotenz yokto y 0,000 000 000 000 000 000 000 001 10-24 zepto z 0,000 000 000 000 000 000 001 10-21 atto a 0,000 000 000 000 000 001 10-18 femto f 0,000 000 000 000 001 10-15 piko p 0,000 000 000 001 10-12 nano n 0,000 000 001 10-9 mikro µ 0,000 001 10-6 milli m 0,001 10-3 centi c 0,01 10-2 dezi d 0,1 10-1 -/- -/- 1 100 deka da 10 101 hekto h 100 102 kilo k 1 000 103 Mega M 1 000 000 106 Giga G 1 000 000 000 109 Tera T 1 000 000 000 000 1012 Peta P 1 000 000 000 000 000 1015 Exa E 1 000 000 000 000 000 000 1018 Zetta Z 1 000 000 000 000 000 000 000 1021 Yotta Y 1 000 000 000 000 000 000 000 000 1024 Elektrotechnik für Bienenwirtschaftsmeister Seite 21
