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elektrotechnik_1:grundlagen_und_grundbegriffe [2020/10/17 00:41] tfischer |
elektrotechnik_1:grundlagen_und_grundbegriffe [2023/09/19 22:19] (aktuell) mexleadmin |
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- | ====== 1. Grundlagen und Grundbegriffe ====== | + | ====== 1 Grundlagen und Grundbegriffe ====== |
===== 1.1 Physikalische Größen ===== | ===== 1.1 Physikalische Größen ===== | ||
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- | ^ Basisgröße | + | |
- | | Zeit | Sekunde | + | ^ Basisgröße |
- | | Länge | + | | Zeit |
- | | Stromstärke | Ampere | + | | Länge |
- | | Masse | + | | Stromstärke |
- | | Temperatur | + | | Masse | Kilogramm |
- | | Stoffmenge | + | | Temperatur |
- | | Lichtstärke | Candela | + | | Stoffmenge |
+ | | Lichtstärke | ||
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* Dies ist die Kurzform von $I = 2\cdot 1A$ | * Dies ist die Kurzform von $I = 2\cdot 1A$ | ||
* $I$ ist die physikalische Größe, hier: elektrische Stromstärke | * $I$ ist die physikalische Größe, hier: elektrische Stromstärke | ||
- | * $\{I\}=2$ ist der Zahlenwert | + | * $\{I\} = 2 $ ist der Zahlenwert |
- | * $[I]=A$ ist die (Maß-)Einheit, | + | * $ [I] = 1 A$ ist die (Maß-)Einheit, |
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| Yotta | Y | $10^{24}$ | | Yotta | Y | $10^{24}$ | ||
| Zetta | Z | $10^{21}$ | | Zetta | Z | $10^{21}$ | ||
- | | Yotta | + | | Exa |
- | | Yotta | + | | Peta | P | $10^{15}$ |
- | | Yotta | + | | Tera | T | $10^{12}$ |
- | | Yotta | + | | Giga | G | $10^{9}$ |
- | | Yotta | + | | Mega | M | $10^{6}$ |
- | | Yotta | + | | Kilo | k | $10^{3}$ |
- | | Yotta | h | $10^{2}$ | + | | Hekto | h | $10^{2}$ |
- | | Yotta | + | | Deka | de | $10^{1}$ |
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Es entsteht so eine dimensionslose Größe relativ zum Bezugswert. | Es entsteht so eine dimensionslose Größe relativ zum Bezugswert. | ||
- | Beispiel: Wirkungsgrad $\nu = {{P_{ab}}\over{P_{zu}}}$ | + | Beispiel: Wirkungsgrad $\eta = {{P_{ab}}\over{P_{zu}}}$ |
Als Bezugswert werden häufig: | Als Bezugswert werden häufig: | ||
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\\ $W = m \cdot g \cdot s \quad\quad$ mit $m=100kg$, $s=2m$ und $g=9, | \\ $W = m \cdot g \cdot s \quad\quad$ mit $m=100kg$, $s=2m$ und $g=9, | ||
\\ $W = 100kg \cdot 9, | \\ $W = 100kg \cdot 9, | ||
- | \\ $W = 100\cdot 9,81 \cdot 2 \;\; \cdot \;\; kg \cdot m \cdot {{m}\over{s^2}}$ | + | \\ $W = 100\cdot 9,81 \cdot 2 \;\; \cdot \;\; kg \cdot {{m}\over{s^2}} |
- | \\ $W = 1962 \quad\quad \cdot \quad\quad\; | + | \\ $W = 1962 \quad\quad \cdot \quad\quad\; |
\\ $W = 1962 Nm = 1962 J $ | \\ $W = 1962 Nm = 1962 J $ | ||
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+ | {{youtube> | ||
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Besonders in Elektrotechnik wird durch Groß-/ | Besonders in Elektrotechnik wird durch Groß-/ | ||
- | * eine zeitlich konstante (zeitunabhängige) Größe handelt, z.B. die Periode $T$ | + | * eine zeitlich konstante (zeitunabhängige) Größe handelt, |
- | * oder um eine zeitabhängige Größe handelt, z.B. die Momentanspannung $u(t)$ | + | * oder um eine zeitabhängige Größe handelt, |
Die relevanten griechischen Buchstaben für die Elektrotechnik werden in folgendem Video beschrieben. | Die relevanten griechischen Buchstaben für die Elektrotechnik werden in folgendem Video beschrieben. | ||
- | |||
- | {{youtube> | ||
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=== Halbleiter === | === Halbleiter === | ||
- | Im Halbleiter können Ladungsträger durch Wärme und Lichteinstrahlung generiert | + | Im Halbleiter können Ladungsträger durch Wärme und Lichteinstrahlung generiert |
Beispiele: | Beispiele: | ||
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<WRAP right 50%> | <WRAP right 50%> | ||
- | Aufbau für eigene Versuche | + | Aufbau für eigene Versuche |
- | {{url> | + | {{url> |
Nehmen Sie eine Ladung ($+1nC$) und positionieren Sie diese. Messen Sie das Feld über eine Probeladung (einen Sensor) aus. | Nehmen Sie eine Ladung ($+1nC$) und positionieren Sie diese. Messen Sie das Feld über eine Probeladung (einen Sensor) aus. | ||
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* Proportionalitätsfaktor $a$ | * Proportionalitätsfaktor $a$ | ||
* Der Proportionalitätsfaktor $a$ wird so definiert, dass sich in der Elektrodynamik einfachere Beziehungen entstehen. | * Der Proportionalitätsfaktor $a$ wird so definiert, dass sich in der Elektrodynamik einfachere Beziehungen entstehen. | ||
- | * $a$ wird damit zu: \\ $a = {{1} \over {4\pi\cdot\varepsilon_0}}$ | + | * $a$ wird damit zu: \\ $a = {{1} \over {4\pi\cdot\varepsilon}}$ |
- | * $\varepsilon_0$ ist die {{wpde> | + | * $\varepsilon_0$ ist die {{wpde> |
* Die Formel ähnelt derjenigen der Gravitationskraft: | * Die Formel ähnelt derjenigen der Gravitationskraft: | ||
<callout icon=" | <callout icon=" | ||
- | Die Coulombkraft lässt sich berechnen über \\ $\boxed{ F_C = {{{1} \over {4\pi\cdot\varepsilon}} \cdot {{Q_1 \cdot Q_2} \over {r^2}}}}$ \\ | + | Die Coulombkraft |
mit $\varepsilon_0 = 8,85 \cdot 10^{-12} \cdot {{C^2 \over {m^2\cdot N}}} = 8,85 \cdot 10^{-12} \cdot {{As} \over {Vm}}$ | mit $\varepsilon_0 = 8,85 \cdot 10^{-12} \cdot {{C^2 \over {m^2\cdot N}}} = 8,85 \cdot 10^{-12} \cdot {{As} \over {Vm}}$ | ||
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- | Ein Ladungstransport kann stattfinden durch: | + | Ein Ladungstransport kann stattfinden durch (<imgref BildNr4> |
* negative Ladungsträger $\color{midnightBlue}{\Delta Q_n}$ (z.B. Elektronen in einem metallischen Leiter) | * negative Ladungsträger $\color{midnightBlue}{\Delta Q_n}$ (z.B. Elektronen in einem metallischen Leiter) | ||
* positive Ladungsträger $\color{brown}{\Delta Q_p}$ (z.B. bestimmte Halbleitermaterialien oder in elektrochemische Zellen) | * positive Ladungsträger $\color{brown}{\Delta Q_p}$ (z.B. bestimmte Halbleitermaterialien oder in elektrochemische Zellen) | ||
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+ | ==== Übungen ==== | ||
+ | |||
<panel type=" | <panel type=" | ||
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* Der Energieumsatz ist proportional der transportierten Ladungsmenge $q$ | * Der Energieumsatz ist proportional der transportierten Ladungsmenge $q$ | ||
* In vielen Fällen ist den " | * In vielen Fällen ist den " | ||
+ | * Im englischen Sprachraum wird häufig $V$ (für Voltage) als Bezeichnung der Größe genutzt: \\ z.B. | ||
+ | * $VCC = 5V$ : Spannungsversorgung eines IC (__V__oltage __C__ommon __C__ollector), | ||
+ | * $V_{S+} = 15V$ : Spannungsversorgung eines Operationsverstärkers (__V__oltage __S__upply plus). | ||
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Die Spannung von $U_{12}$ entlang einem Weg von Punkt ① nach ② wird positiv, wenn das Potential in ① größer ist als das Potential in ②. | Die Spannung von $U_{12}$ entlang einem Weg von Punkt ① nach ② wird positiv, wenn das Potential in ① größer ist als das Potential in ②. | ||
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+ | |||
+ | ==== Übungen ==== | ||
+ | |||
+ | <panel type=" | ||
+ | |||
+ | <WRAP right> | ||
+ | < | ||
+ | </ | ||
+ | {{drawio> | ||
+ | </ | ||
+ | |||
+ | Geben Sie für die Spannungen $U_{Batt}$, $U_{12}$ und $U_{21}$ in <imgref BildNr21> | ||
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+ | </ | ||
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- | <WRAP right 60%>< | + | <WRAP right 60%> |
+ | |||
+ | Anschauliche Erklärung zum Ohmschen Widerstand | ||
+ | {{youtube> | ||
+ | |||
+ | <WRAP group>< | ||
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- | {{url> | + | {{url> |
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Der Grund dafür ist der Widerstand des Leiters. | Der Grund dafür ist der Widerstand des Leiters. | ||
- | Ein Widerstand ist ein elektrisches Bauteil mit zwei Anschlüssen (bzw. Klemmen). Bauteile mit zwei Anschlüssen werden als Zweipol oder Eintor bezeichnet. Im zweiten Semester werden auch Vierpole bzw. Zweitore dazukommen. | + | Ein Widerstand ist ein elektrisches Bauteil mit zwei Anschlüssen (bzw. Klemmen). Bauteile mit zwei Anschlüssen werden als Zweipol oder Eintor bezeichnet |
Im Allgemeinen ist die Ursache-Wirkung-Beziehung so, dass eine angelegte Spannung am Widerstand den Stromfluss erzeugt. Es gilt aber auch die Umgekehrte Beziehung: Sobald ein elektrischer Strom über einen Widerstand fließt, wird ein Spannungsabfall am Widerstand erzeugt. | Im Allgemeinen ist die Ursache-Wirkung-Beziehung so, dass eine angelegte Spannung am Widerstand den Stromfluss erzeugt. Es gilt aber auch die Umgekehrte Beziehung: Sobald ein elektrischer Strom über einen Widerstand fließt, wird ein Spannungsabfall am Widerstand erzeugt. | ||
+ | |||
+ | In der Elektrotechnik werden in den Schaltbildern mit idealisierten Komponenten gearbeitet. Dabei wird der Widerstand der Zuleitungen entweder vernachlässigt - sofern dieser sehr klein zu allen anderen Widerstandswerten ist - oder durch einen separaten Widerstand eingezeichnet. | ||
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<callout color=" | <callout color=" | ||
- | === Nichtllineare | + | === Nichtlineare |
< | < | ||
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{{drawio> | {{drawio> | ||
- | * Der Punkt im $U$-$I$-Diagramm, | + | * Der Punkt im $U$-$I$-Diagramm, |
* Bei nichtlinearen Widerständen ist der Widerstandswert $R={{U_R}\over{I_R(U_R)}}=f(U_R)$. Dieser Widerstandswert ist vom Arbeitspunkt abhängig. | * Bei nichtlinearen Widerständen ist der Widerstandswert $R={{U_R}\over{I_R(U_R)}}=f(U_R)$. Dieser Widerstandswert ist vom Arbeitspunkt abhängig. | ||
* Häufig sind kleine Änderungen um den Arbeitspunkt interessant (z.B. bei kleinen Störungen von Lastmaschinen). Hierfür wird der **differentielle Widerstand** $r$ (auch dynamischer Widerstand) ermittelt: \\ $\boxed{r={{dU_R}\over{dI_R}}\approx{{\Delta U_R}\over{\Delta I_R}}}$ mit der Einheit $[R]=1\Omega$ | * Häufig sind kleine Änderungen um den Arbeitspunkt interessant (z.B. bei kleinen Störungen von Lastmaschinen). Hierfür wird der **differentielle Widerstand** $r$ (auch dynamischer Widerstand) ermittelt: \\ $\boxed{r={{dU_R}\over{dI_R}}\approx{{\Delta U_R}\over{\Delta I_R}}}$ mit der Einheit $[R]=1\Omega$ | ||
Zeile 642: | Zeile 669: | ||
* der Widerstandswert $R$ steigt proportional mit der Länge $l$, die der Strom zurücklegen muss: $R \sim l$ | * der Widerstandswert $R$ steigt proportional mit der Länge $l$, die der Strom zurücklegen muss: $R \sim l$ | ||
* der Widerstandswert $R$ fällt umgekehrt proportional mit der Querschnittsfläche $A$ durch welche der Strom durchtritt: $R \sim {{1}\over{A}}$ | * der Widerstandswert $R$ fällt umgekehrt proportional mit der Querschnittsfläche $A$ durch welche der Strom durchtritt: $R \sim {{1}\over{A}}$ | ||
- | * der Widerstandswert $R$ ist abhängig vom Material | + | * der Widerstandswert $R$ ist abhängig vom Material |
* damit erhält man: \\ $R \sim {{l}\over{A}}$ | * damit erhält man: \\ $R \sim {{l}\over{A}}$ | ||
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<WRAP right 30%> | <WRAP right 30%> | ||
- | < | + | < |
^ Material | ^ Material | ||
- | | Silber | + | | Silber |
- | | Kupfer | + | | Kupfer |
- | | Aluminium | + | | Aluminium |
- | | Gold | $2,2\cdot 10^{-2}$ | + | | Gold |
- | | Blei | $2,1\cdot 10^{-1}$ | + | | Blei |
- | | Graphit | + | | Graphit |
- | | Akkusäure (Bleiakku) | $1,5\cdot 10^4$ | + | | Akkusäure (Bleiakku) | $1,5\cdot 10^4$ | |
- | | Blut | $1,6\cdot 10^{6}$ | + | | Blut |
- | | (Leitungs)Wasser | + | | (Leitungs)Wasser |
- | | Papier | + | | Papier |
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- | * Es existiert auch ein spezifischer Leitwert $\kappa$m gegeben über den Leitwert $G$ : $G= \kappa \cdot {{A}\over{l}}$ | + | * Es existiert auch ein spezifischer Leitwert $\kappa$, gegeben über den Leitwert $G$ : $G= \kappa \cdot {{A}\over{l}}$ |
- | * Der spezifische Leitwert $\kappa$ ist der Kehrwert des spezifischem Widerstands $\rho$: $\kappa$ | + | * Der spezifische Leitwert $\kappa$ ist der Kehrwert des spezifischem Widerstands $\rho$: $\kappa={1}\over{\rho$}$ |
- | ==== Verbraucher | + | ==== Temperaturabhängigkeit von Widerständen |
- | * Ein Widerstand wird häufig auch als Verbraucher bezeichnet. | + | |
- | * Der umgangssprachlicher Begriff Verbraucher steht aber hierbei für einen elektrischen Verbraucher - also einem Bauteil, welches die elektrische Energie in eine andere Energieform wandelt. | + | |
- | * Neben den reinem ohmschen Verbraucher existieren aber auch ohmsch-induktive Verbraucher (z.B. Spulen im Motor) oder ohmsch-kapazitive Verbraucher (z.B. verschiedene Netzteile durch Kondensatoren am Ausgang). Entsprechend ist die Gleichsetzung von Widerstand und Verbraucher falsch. | + | |
- | < | + | < |
+ | Erklärung der Temperaturabhängigkeit von Widerständen | ||
+ | {{youtube> | ||
- | ==== Video ==== | + | <WRAP group>< |
+ | < | ||
+ | </ | ||
+ | {{drawio> | ||
+ | </ | ||
- | Anschauliche Erklärung zum Ohmschen | + | <WRAP group>< |
- | {{youtube>IyFJqQa_Dfw}} | + | < |
+ | </ | ||
+ | {{drawio>Widerstand_Temperatur}} | ||
+ | </ | ||
+ | </ | ||
- | Durchgerechnete Aufgabe zum spezifischen Widerstand | + | Der Widerstandswert wird - neben den bisher genannten Einflüssen von Geometrie und Material - auch von andere von anderen Effekten beeinflusst. Diese sind z.B.: |
- | {{youtube> | + | * Wärme (thermoresistiver Effekt, z.B. im Widerstandsthermometer) |
+ | * Licht (photoresistiver Effent z.B. im Bauteil Photowiderstand) | ||
+ | * Magnetfeld (magnetoresistiver Effekt z.B. in Festplatten) | ||
+ | * Druck (piezoresistiver Effekt z.B. Reifendrucksensor) | ||
+ | * chemische Umgebung (chemoresistiver Effekt z.B. chemische Analyse der Atemluft) | ||
- | Temperaturabhängige Widerstände | + | Um diese Einflüsse in Formel zu fassen, wird häufig auf das mathematische Hilfsmittel der {{wpde>Taylorreihe}} zurückgegriffen. Diese soll hier praktisch anhand des thermoresistives Effekts genutzt werden. Der thermoresistive Effekt, bzw. die {{wpde> |
- | {{youtube>Xw7QXJ9sV6s}} | + | |
- | Bauformen des Widerstands | + | Der Ausgangspunkt für soll hier auch wieder ein Experiment sein. Es soll der ohmsche Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt werden. Dazu wird der Widerstand mittels einer Spannungsquelle, |
- | {{youtube>m3jagiGFcoY? | + | |
+ | Es ergibt sich ein Verlauf des Widerstands $R$ über die Temperatur $\vartheta$ wie in <imgref BildNr16> | ||
+ | |||
+ | $R(\vartheta) = R_0 + c\cdot (\vartheta - \vartheta_0)$ | ||
+ | |||
+ | * Die Konstante wird hierbei ersetzt durch $c = R_0 \cdot \alpha$ | ||
+ | * $\alpha$ ist hierbei der **lineare Widerstands-Temperaturkoeffizient** mit der Einheit: $ [\alpha] = {{1}\over{[\vartheta]}} = {{1}\over{K}} $ | ||
+ | * Neben dem linearen Term ist es auch möglich mit höherem Exponenten des Temperatureinflusses die Genauigkeit der Berechnung von $R(\vartheta)$ erhöhen. Dieser Ansatz wir in Mathematik unter {{wpde> | ||
+ | * Diese Widerstands-Temperaturkoeffizienten werden mit griechischen Buchstaben beschrieben: | ||
+ | |||
+ | ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ | ||
+ | <callout icon=" | ||
+ | |||
+ | <WRAP right 30%> | ||
+ | < | ||
+ | </ | ||
+ | {{drawio> | ||
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+ | Die Temperaturabhängigkeit eines Widerstands wird über folgende Gleichung beschrieben: | ||
+ | $\boxed{ R(\vartheta) = R_0 (1 + \alpha \cdot (\vartheta - \vartheta_0) + \beta \cdot (\vartheta - \vartheta_0)^2 + \gamma \cdot (\vartheta - \vartheta_0)^3 + ...}$ | ||
+ | |||
+ | Dabei sind: | ||
+ | * $\alpha$ der **(lineare) Widerstands-Temperaturkoeffizient** mit der Einheit: $ [\alpha] = {{1}\over{K}} $ | ||
+ | * $\beta$ der **(quadratische) Widerstands-Temperaturkoeffizient** mit der Einheit: $ [\beta] = {{1}\over{K^2}} $ | ||
+ | * $\gamma$ der **Widerstands-Temperaturkoeffizient** mit der Einheit: $ [\gamma] = {{1}\over{K^3}} $ | ||
+ | * $\vartheta_0$ die vorgegebene Bezugstemperatur (oder Referenztemperatur), | ||
+ | |||
+ | Je weiter der Temperaturbereich von der Bezugstemperatur abweicht, desto mehr Temperaturkoeffizient sind notwendig, um den tatsächlichen Verlauf nachzubilden (<imgref BildNr22> | ||
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+ | </ | ||
- | <panel type=" | + | <callout icon=" |
+ | Neben der Angabe der Parameter $\alpha$, | ||
+ | |||
+ | Auch hier lässt sich wieder eine Reihen-Entwicklung ansetzen: $R(T) \sim e^{A + {{B}\over{T}} + {{C}\over{T^2}} + ...}$ | ||
+ | |||
+ | Häufig wird aber nur $B$ angegeben. \\ Durch Verhältnisbildung einer beliebigen Temperatur $T$ und $T_{25}=298, | ||
+ | ${{R(T)}\over{R_{25}}} = {{exp \left({{B}\over{T}}\right)} \over {exp \left({{B}\over{298, | ||
+ | |||
+ | Damit lässt sich die endgültige Formel ermitteln: | ||
+ | |||
+ | $R(T) = R_{25} \cdot exp \left( B_{25} \cdot \left({{1}\over{T}} - {{1}\over{298, | ||
+ | |||
+ | </ | ||
+ | === Arten von temperaturabhängigen Widerständen === | ||
+ | |||
+ | Neben der Temperaturabhängigkeit als Störeinfluss gibt es auch Bauteile, welche bewusst auf eine bestimmten Temperatureinfluss gezüchtet worden sind. Diese werden als Thermistor (Kofferwort aus: __therm__ally-sensitive res__istor__) bezeichnet. Die Thermistoren teilen sich in prinzipiell Heißleiter und Kaltleiter auf. | ||
+ | |||
+ | Eine Sonderform sind Materialien, | ||
+ | |||
+ | <WRAP group>< | ||
+ | === Heißleiter=== | ||
+ | |||
+ | < | ||
+ | </ | ||
+ | {{drawio> | ||
+ | |||
+ | * Wie der Name vermuten lässt, hat der {{wpde> | ||
+ | * Ein Heißleiter wird auch NTC (engl. für __n__egative __t__emperature __c__oefficient) genannt | ||
+ | * Beispiele dafür sind Halbleiter | ||
+ | * Anwendungen sind Einschaltstrombegrenzer und Temperatursensoren. Für den gewünschten Arbeitspunkt wird dabei ein dort stark nicht-linearer Verlauf gewählt (z.B. Fieberthermometer). | ||
+ | |||
+ | </ | ||
+ | === Kaltleiter=== | ||
+ | |||
+ | < | ||
+ | </ | ||
+ | {{drawio> | ||
+ | |||
+ | * Der {{wpde> | ||
+ | * Ein Kaltleiter wird auch PTC (engl. für __p__ositive __t__emperature __c__oefficient) genannt | ||
+ | * Beispiele dafür sind dotierte Halbleiter oder Metalle | ||
+ | * Anwendungen sind Temperatursensoren. Hierzu bieten sie häufig einen großen Temperaturbereich und gute Linearität (z.B. PT100 im Bereich von $-100°C$ bis $200°C$). | ||
+ | * [[https:// | ||
+ | </ | ||
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+ | |||
+ | ==== Bauformen von Widerständen ==== | ||
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+ | <WRAP right 50%> | ||
+ | {{youtube> | ||
+ | </ | ||
+ | |||
+ | Die Bauformen werden hier nicht näher erklärt. Es wird auf das rechtsstehende Video verwiesen. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ | ||
+ | ==== Übungen ==== | ||
+ | |||
+ | <panel type=" | ||
+ | {{youtube> | ||
+ | ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ | ||
+ | </ | ||
+ | |||
+ | <panel type=" | ||
Es soll angenommen werden, dass eine weiche Bleistift-Mine zu 100% aus Graphit besteht. Wie groß ist der Widerstand einer $5cm$ langen und $0,2mm$ breiten Linie, wenn diese eine Höhe von $0,2\mu m$ hat? | Es soll angenommen werden, dass eine weiche Bleistift-Mine zu 100% aus Graphit besteht. Wie groß ist der Widerstand einer $5cm$ langen und $0,2mm$ breiten Linie, wenn diese eine Höhe von $0,2\mu m$ hat? | ||
Zeile 705: | Zeile 832: | ||
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- | <panel type=" | + | <panel type=" |
Gegeben sei eine Zylinderspule in Form einer mehrlagigen Wicklung, wie sie z.B. auch in Motoren vorkommen können. Die Zylinderspule hat einen inneren Durchmesser von $d_i=70mm$ und einen äußeren Durchmesser von $d_a = 120mm$. Die Windungsanzahl beträgt $n_W=1350$ Windungen, der Drahtdurchmesser $d=2,0mm$ und die spezifische Leitfähigkeit des Drahtes $\kappa_{Cu}=56 \cdot 10^6 {{S}\over{m}}$. | Gegeben sei eine Zylinderspule in Form einer mehrlagigen Wicklung, wie sie z.B. auch in Motoren vorkommen können. Die Zylinderspule hat einen inneren Durchmesser von $d_i=70mm$ und einen äußeren Durchmesser von $d_a = 120mm$. Die Windungsanzahl beträgt $n_W=1350$ Windungen, der Drahtdurchmesser $d=2,0mm$ und die spezifische Leitfähigkeit des Drahtes $\kappa_{Cu}=56 \cdot 10^6 {{S}\over{m}}$. | ||
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- | <panel type=" | + | <panel type=" |
Die Zuleitung zu einem Verbraucher soll ausgetauscht werden. Aufgrund der Anwendung muss der Leiterwiderstand gleich bleiben. | Die Zuleitung zu einem Verbraucher soll ausgetauscht werden. Aufgrund der Anwendung muss der Leiterwiderstand gleich bleiben. | ||
Zeile 721: | Zeile 848: | ||
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+ | |||
+ | <panel type=" | ||
+ | |||
+ | t.b.d. | ||
+ | |||
+ | </ | ||
+ | |||
+ | {{page> | ||
+ | |||
===== 1.7 Leistung und Wirkungsgrad ===== | ===== 1.7 Leistung und Wirkungsgrad ===== | ||
Zeile 730: | Zeile 866: | ||
</ | </ | ||
- | <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/ | + | ==== Ermittlung der elektrischen Leistung im Gleichstrom-Stromkreis ==== |
+ | Aus dem Kapitel [[#1.5 Spannung, Potential und Energie]] ist bekannt, dass eine Bewegung einer Ladung über eine Potentialdifferenz hinweg einer Änderung der Energie entspricht. Ladungstransport bedeutet also automatisch Energieaufwand. Häufig interessiert aber der Energieaufwand pro Zeiteinheit. | ||
+ | |||
+ | <WRAP right 30%> | ||
+ | < | ||
+ | </ | ||
+ | {{drawio>LeistungEnergie}} | ||
+ | |||
+ | < | ||
+ | </imgcaption> | ||
+ | {{drawio> | ||
</ | </ | ||
- | <WRAP half column> | + | Die Energieaufwand pro Zeiteinheit stellt die Leistung dar: \\ |
+ | $\boxed{P={{\Delta W}\over{\Delta t}}}$ mit der Einheit $[P]={{[W]}\over{[t]}}=1 {{J}\over{s}} = 1 {{Nm}\over{s}} = 1 V\cdot A = 1 W$ | ||
- | ==== Video ==== | + | Für eine konstante Leistung $P$ und einer Anfangsenergie $W(t=0)=0$ gilt: \\ |
+ | $\boxed{W=P \cdot t}$ \\ | ||
+ | Gelten die oben genannten Einschränkungen nicht, muss die erzeugte/ | ||
- | Übungsaufgaben zur elektrischen | + | Neben dem Stromfluss von der Quelle zum Verbraucher (und zurück), fließt auch die Leistung |
- | {{youtube>c31qvyXKpNc}} | + | |
+ | Betrachtet man nur __einen Gleichstrom-Stromkreis__, | ||
+ | $W=U_{12}\cdot Q = U_{12} \cdot I \cdot t$ | ||
+ | |||
+ | Damit ergibt sich für die Leistung (d.h. pro Zeiteinheit umgesetzte | ||
+ | $\boxed{P=U_{12} \cdot I}$ mit der Einheit $[P]= 1 V\cdot A = 1W \quad$ ... $W$ steht hier für Watt. | ||
+ | |||
+ | Für ohmsche Widerstände gilt: | ||
+ | |||
+ | $\boxed{P=R\cdot I^2 = {{U_{12}^2}\over{R}}}$ | ||
+ | |||
+ | ==== Nenngrößen von ohmschen Verbrauchern ==== | ||
+ | |||
+ | ^ Name der Nenngröße ^ physikalische Größe ^ Beschreibung ^ | ||
+ | | Nennleistung | ||
+ | | Nennstrom | ||
+ | | Nennspannung | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ==== Wirkungsgrad ==== | ||
+ | |||
+ | <WRAP right 30%> | ||
+ | < | ||
+ | </ | ||
+ | {{drawio>Leistungsfluss}} | ||
</ | </ | ||
- | <WRAP group> <WRAP half column> | + | Die nutzbare (= nach außen abgegebene) $P_A$ Leistung ist immer kleiner als die zugeführte (eingehende) Leistung $P_E$. Die Differenz wird als Verlustleistung $P_V$ bezeichnet. Es gilt damit: |
- | ====== Aufgaben ====== | + | $P_E = P_A + P_V$ |
- | </ | + | |
- | <WRAP onlyprint> | + | Anstelle der Verlustleistung $P_V$ wird häufig der Wirkungsgrad $\eta$ angegeben: |
- | * Der Batteriemonitor BQ769x0 misst die Lade- und Entladeströme einer Lithium-Ionen-Batterie mittels | + | |
- | * Der Shunt soll einen Widerstandswert von 1mOhm haben. Welche maximalen Lade-/ | + | $\boxed{\eta = {{P_{A}}\over{P_{E}}}\overset{!}{<} 1}$ |
- | * Welche Verlustleistung wird im Extremfall am Shunt erzeugt? | + | |
- | * Die Batterie soll eine Nominalspannung von 12V haben (3 Zellen). Welchen Wirkungsgrad (bzw. welche Verluste) ergeben sich allein durch die Messung? | + | Bei hintereinandergeschalteten Systemen (siehe <imgref BildNr23> |
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+ | $\boxed{\eta = {{P_{A}}\over{P_{E}}} = {\not{P_{1}}\over{P_{E}}}\cdot {\not{P_{2}}\over \not{P_{1}}}\cdot {{P_{A}}\over \not{P_{2}}} = \eta_1 \cdot \eta_3 \cdot \eta_3}$ | ||
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+ | ==== Übungen ==== | ||
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+ | Auf einer Platine wird ein SMD Widerstand zur Strommessung eingesetzt. Der Widerstandswert | ||
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+ | Welcher Strom kann höchstens gemessen werden? | ||
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- | </ | + | * Der Batteriemonitor BQ769x0 misst die Lade- und Entladeströme einer Lithium-Ionen-Batterie mittels der Spannung über einem Messwiderstand (eng. Shunt). In <imgref BildNr29> |
+ | * Zeichnen Sie ein Ersatzschaltbild mit Spannungsquelle (Batterie), Messwiderstand und Lastwiderstand $R_L$. Zeichnen Sie auch die Messpannung und Lastspannung ein. | ||
+ | * Der Shunt soll einen Widerstandswert von $1m\Omega$ haben. Welche maximalen Lade-/ | ||
+ | * Welche Verlustleistung wird im Extremfall am Shunt erzeugt? | ||
+ | * Nun soll der Wirkungsgrad berechnet werden | ||
+ | * Ermitteln Sie den Wirkungsgrad als Funktion von $R\_S$ und $R_L$. Beachten Sie, dass durch beide Widerstände der gleiche Strom fließt. | ||
+ | * Sonderaufgabe: | ||
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+ | Eine Wasserpumpe ($\eta_P = 60\%$) besitzt einen elektromotorischem Antrieb ($\eta_M=90\%$). | ||
+ | Die Pumpe soll je Minute $500l$ Wasser $12m$ hochpumpen. | ||
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+ | * Welche Nennleistung muss der Motor haben? | ||
+ | * Welchen Strom nimmt der Motor am $230V$-Netz auf? | ||
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