31
EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik 1 Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 1 von 31 1. Allgemeines 1.1. Bedeutung der ET 1.2. Physikalische Größen und Gleichungen - Messbare Merkmale nichtmessbare Merkmale - Messbare Merkmale sind beschreibbar durch „Physikalische Größen“ - Physikalische Größen (Einheiten): - Basisgrößen - Abgeleitete Größen - Proportionalitätsfaktoren (s. Konstanten) Basiseinheiten: Schreibweise von Gleichungen { } [ ] Einheit Zahlenwert Größe che Physikalis = Formelzeichen Bedeutung Einheit I elektrische Stromstärke A s Länge m m Masse kg t Zeit s T Temperatur K I Lichtstärke cd G Stoffmenge mol

Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

EMA

Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen

der Hochschule Bremerhaven

Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher

Elektrotechnik 1

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 1 von 31

1. Allgemeines 1.1. Bedeutung der ET 1.2. Physikalische Größen und Gleichungen

- Messbare Merkmale ↔ nichtmessbare Merkmale

- Messbare Merkmale sind beschreibbar durch „Physikalische Größen“

- Physikalische Größen (Einheiten):

- Basisgrößen - Abgeleitete Größen

- Proportionalitätsfaktoren (s. Konstanten)

Basiseinheiten:

Schreibweise von Gleichungen [ ] Einheit Zahlenwert Größe chePhysikalis ⋅=

Formelzeichen Bedeutung Einheit

I elektrische Stromstärke A

s Länge m

m Masse kg

t Zeit s

T Temperatur K

I Lichtstärke cd

G Stoffmenge mol

Page 2: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 2 von 31

Abgeleitete Größen :

Formelzeichen Bedeutung Einheit

W Energie J

P Leistung W

η Wirkungsgrad

Q elektrische Ladung C

e Elementarladung C

φ elektrisches Potential V

U elektrische Spannung V

C elektrische Kapazität F

T Periodendauer s

τ Zeitkonstante s

f Frequenz Hz

ϖ Kreisfrequenz Hz

L Induktivität H

R elektrischer Widerstand Ω

γ spezifischer Widerstand Ω.m

G elektrischer Leitwert S

γ spezifischer Leitwert S.m-1

X Blindwiderstand Ω

Z Scheinwiderstand Ω

P Wirkleistung W

Q Blindleistung Var

S Scheinleistung VA

φ Phasenverschiebungswinkel rad, °

Page 3: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 3 von 31

Das Griechische Alphabet:

Vorsätze für dezimale Vielfache und Teile von Einheiten:

Zehnerpotenz Abkürzung Bedeutung

12 T Tera

9 G Giga

6 M Mega

3 k Kilo

2 h Hekto

1 da Deka

-1 d Dezi

-2 c Zenti

-3 m Milli

-6 µ Mikro

-9 n Nano

-12 p Piko

-15 f Femto

-18 a Atto

Zeichen Beschreibung Zeichen Beschreibung

Α,α Alpha Β,β Beta

Γ,γ Gamma ∆,δ Delta

E,ε Epsilon Ζ,ζ Zeta

H,η Eta Θ,θ Theta

Ω,ω Omega Ι,ι Iota

Κ,κ Kappa Λ,λ Lambda

Μ,µ My Ν,ν Ny

Ξ,ξ Xi Ο,ο Omicron

Π,π Pi Ρ,ρ Rho

Σ,σ Sigma Τ,τ Tau

Υ,υ Upsilon φ,ϕ Phi

Χ,x Chi Ψ,ψ Psi

Page 4: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 4 von 31

Konstanten:

Formel- zeichen

Größe Wert (z. T. gerundet)

c Lichtgeschwindigkeit (Vakuum) 299 792 458 m/s

e Elementarladung 1,602 · 10− 19 C

g Normfallbeschleunigung 9,807 m/s2

h Plancksches Wirkungsquantum 6,626 · 10− 34 J s

k Boltzmann-Konstante 1,381 · 10− 23 J/K

me0

Ruhemasse Elektron 9,109 · 10− 31 kg

mp0

Ruhemasse Proton 1,673 · 10− 27 kg

ε0

elektrische Feldkonstante 8,854 ·10− 12 F/m

µ0

magnetische Feldkonstante 1,257 · 10− 6 H/m

1.3. Wesen der Elektrizität

1.3.1. Elektrische Energie 1.3.2. Das Bohrsche Atommodell und die elektrische Ladung 1.3.3. Bewegliche Ladungsträger

- Elektronenstrom ↔↔↔↔ Ionenstrom

- Leitfähigkeit

- Leiter

- Halbleiter

- Nichtleiter

Page 5: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 5 von 31

1.4. Grundstromkreis

- Erzeuger - Leiter

- Verbraucher

A

V

RI

U

Druckdifferenz-

StrömungswiderstandVerbraucher

Messung

Druckerzeuger:Pumpe

MesserMengen-

- Beschreibung der Vorgänge im Grundstromkreis:

Die Spannung U treibt den Strom I durch den Widerstand R

1.5. Der elektrische Strom I

1.5.1. Die Stromstärke I

- Voraussetzung für Stromfluss:

- Konventionelle Stromrichtung:

- Definition der Stromstärke (SI- Grundgröße) 1A:= 1 Ampere

Stromstärke I: dt

)t(dq)t(i = [ ] [ ]

[ ][ ]

[ ]s

sA

s

CA

⋅== (1C:= 1Coulomb)

Ladung Q: ∫=2

1

t

t

dt)t(iQ [ ] [ ] [ ]sACQ ⋅==

Zeitabhängige elektrische Größen werden kleingeschrieben!

- Wirkungen des elektrischen Stromes

- Wärme

- Elektrolyse

- Elektromagnetismus

Page 6: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 6 von 31

1.5.2. Die Stromdichte S

Stromdichte S: A

IS =

[ ][ ]2mm

A

- Bedeutung der Stromdichte:

Page 7: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 7 von 31

1.6. Die elektrische Spannung U - Herleitung der Proportionalität: ∆W ~ ∆Q

- Proportionalitätsfaktor U

- Definition der Spannung U:

Q

WU

∆= [ ] [ ]

[ ][ ]

[ ]sA

sVA

sA

sWV

⋅⋅=

⋅=

- Richtung der Spannung:

- Normung: 0V < U < 100V: DIN 40001 100V < U > 380kV: DIN 40002

- Potential

1.7. Der elektrische Widerstand R 1.7.1. R= f (Stoffeigenschaften, geometrischen Abmessungen)

Widerstand R: A

lR ρ= [ ]Ω

Spezifischer Widerstand ρ: γ

ρ1

=

⋅Ω

m

mm2

1.7.2. Der elektrische Leitwert G

Leitwert G: R

G1

=

Ω

1

Spezifischer Leitwert γ: ρ

γ1

=

⋅Ω 2mm

m

1.7.3. Die Temperaturabhängigkeit

Widerstand R= f(ϑ): )1(RR C20 ϑ∆⋅α+= °ϑ [ ]Ω

R0:= Nennwiderstand bei ϑ= 20°C ∆ϑ = ϑ - 20°C α := Temperaturkoeffizient bei 20°C

Widerstand bei hohen Temperaturen (>80°C):

( ) )1(RR 2C20 ϑ∆⋅β+ϑ∆⋅α+= °ϑ

Page 8: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 8 von 31

Temperatureinfluss:

- Heißleiter

- Kaltleiter

- Supraleitung

Kenndaten:

Spezifischer elektrischer Widerstand, elektrische Leitfähigkeit, Teperaturkoeffizient bei 20°C und Dichte

Werkstoff Spezifischer Widerstand

Leitfähigkeit Temperatur-koeffizient

Temperatur-koeffizient

Dichte

ρρρρ in ΩΩΩΩ·mm²/m γγγγ in S·m/mm² αααα in 1/°C ββββ in 1/°C ρρρρ in kg/dm³

Metalle Silber 0,016 62,500 0,00377 0,00000070 10,5 Kupfer 0,018 56,000 0,00390 0,00000060 8,9 Aluminium 0,028 35,400 0,00380 0,00000130 2,7 Wolfram 0,055 18,200 0,00410 0,00000100 19,1 Zink 0,060 16,500 0,00370 0,00000200 7,1 Legierungen CU Mn 2 Al (WM 13) 0,125 8,000 0,00480 - 8,9 Messing (MS 63) 0,074 13,500 0,00150 - 8,6 Konstantan (WM 50) 0,490 2,040 ±0,00002 - 8,5 Sonstige Leiter Kohlenstifte 65,000 0,015 -0,0002 - ≈2 Graphit 20…100 0,05…0,01 bis - ≈2 Retortenkohle 100 0,01 0,0007 - ≈2 1.8. Elektrische Energie und Leistung

- Herleitung der elektrischen Arbeit

Arbeit W: tIUW ⋅⋅= [ ] [ ] [ ]sWsAVJ ⋅=⋅⋅=

WPS

Jkpm

Jcal

JkW

7361

81,91

1868,41

106,316

=

=

=

⋅=

Leistung P: IUP ⋅= [ ] [ ]AVW ⋅=

- Beispiele für Leistungsgrößen:

Wirkungsgrad ηηηη: zu

Vzu

zu

ab

P

PP

P

P −==η s. Kapitel 6.4

Page 9: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 9 von 31

2. Berechnung von Strömen und Spannungen in elektrischen Netzen

2.1. Die Grundgesetze

2.1.1. Das Ohmsche Gesetz

I

UR = [ ] [ ]

[ ]A

V=Ω

- Kennlinie:

- Ohmsche Widerstände ↔ nichtohmsche Widerstände

- Differentieller Widerstand r:

I

Ur

∆=

2.1.2. 1. Kirchhoffscher Satz (1.KS)

Σ Izu = Σ Iab

2.1.3. 2. Kirchhoffscher Satz (2.KS)

Σ UQuelle = Σ UVerbraucher 2.2. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

2.2.1. Reihenschaltung von Widerständen

Gesamtwiderstand: ∑=

=n

i

iges RR1

Strom: ...21 === III

Gesamtspannung: ∑=

=n

i

iges UU1

U1

R1

I

U2

R2

U3

R3

gesU

2.2.2. Spannungsteiler

. . . . R

R

U

U

2

1

2

1== s. Bild zu Kapitel 2.2.1.

- unbelasteter Spannungsteiler - belasteter Spannungsteiler - Potentiometerschaltung

Page 10: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 10 von 31

2.2.3. Parallelschaltung von Widerständen

Gesamtwiderstand: ∑=

=n

i iges RR 1

11

zwei parallele Widerstände: 21

21

RR

RRRges

+

⋅=

n gleiche Widerstände: n

RRges =

Gesamtstrom: ∑=

=n

i

iges II1

Spannung: ...21 === UUU

R1I1gesI

U

2

3I3

R

I2R

2.2.4. Stromteiler

. . . . G

G

I

I

2

1

2

1== s. Bild zu Kapitel 2.2.3.

2.2.5. Zusammengesetzte Schaltungen

- Beispiele: s. Vorlesung

Beispiel a)

32

B

1

A

Rges = 1,5.R

Beispiel b)

3

2

B

1

A

Rges = 0,67.R

Beispiel c)

3

B

27

5

8

1

A

6 9

Rges = 1,47.R

Beispiel d)

A

2 6

1 3 4 7

5

Rges = 1,73.R

- Y / ∆∆∆∆ - Umwandlung

Page 11: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 11 von 31

2.3. Berechnung von Strömen und Spannungen in linearen Netzen 2.3.1. Anwendung der Grundgesetze

- Begriffe:

- Knoten werden durch Knotenpunktgleichungen (1.KS) beschrieben

- Zweige werden durch Maschengleichungen (2.KS) beschrieben

Beispiel für eine Knotengleichung:

I 3

4II 1

I 2

0IIII 4321 =−++

Beispiel für eine Maschengleichung:

Umlauf

U5

I

R5

7

U

U

I

I

1

R1

R66

1

8

Ua

U4I

IR4

5

6

UII

I

2

R2

R3

2 3

4

Ub

U3

0UUUUUUUU 1a6543b2 =−−+++−+−

Für ein Netz mit n Knoten können (n-1) linear unabhängige Knotenpunktgleichungen aufgestellt werden. Für ein Netz mit k Zweigen und n Knoten können (k - (n -1)) linear unabhängige Maschengleichungen aufgestellt werden. - Lösungsschema zur Berechnung linearer Netze:

- Schaltplan vereinfachen

- Spannungspfeile für Quellen einzeichnen

- Strompfeile einzeichnen

- (n-1) Knotenpunktgleichungen aufstellen

- (k - (n -1)) Maschengleichungen aufstellen

- EDV- gestützte Berechnungsverfahren:

2.3.2. Anwendung des Maschenstromverfahrens

Page 12: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 12 von 31

3. Der Widerstand als elektrisches Bauelement

3.1. Kennzeichnung

- Nennwert und Toleranz von Widerständen - Verlustleistung von Widerständen

IEC- Normzahlenreihen:

Page 13: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 13 von 31

Farbcodierung von Widerständen:

Farbe zählende Ziffer Multiplikator Toleranz in %

schwarz 0 10 0 —

braun 1 10 1 ± 1

rot 2 10 2 ± 2

orange 3 10 3 —

gelb 4 10 4 —

grün 5 10 5 ± 0,5

blau 6 10 6 ± 0,25

violett 7 10 7 ± 0,1

grau 8 10 8 —

weiss 9 10 9 —

gold — 10 -1 ± 5

silber — 10 -2 ± 10

keine — — ± 20

Beispiel: R = 470 Ω ± 5%

- Belastbarkeit von Widerständen

ϑ

ϑ−ϑ=

RP

UO ϑo := Oberflächentemperatur

ϑU := Umgebungstemperatur Rϑ := Wärmewiderstand

- Überlastung: 6,25 . PNenn für t > 5s

- PNenn = f(Baugröße)

s.a. Kapitel 3.2

Page 14: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 14 von 31

3.2. Bauformen von Festwiderständen

- Drahtwiderstände

- Kohleschichtwiderstände

- Metallschichtwiderstände

- Metalloxidwiderstände

Baugröße von Festwiderständen:

Bauformen von einstellbaren Widerständen

- Potentiometer

- Trimmer

- Widerstandscharakteristik

- Bauformen (s. Labor)

3.3. Nichtlineare Widerstände

- Einsatzbereiche - Elektronik - Sensortechnik

- Heißleiter (NTC-Widerstände)

- Kaltleiter (PTC-Widerstände)

- Spannungsabhängige Widerstände (VDR- Widerstände)

- Dehnmessstreifen (DMS)

- s. weiterführende Vorlesungen: Messtechnik

Page 15: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 15 von 31

4. Spannung-, Strom- und Widerstandsmessung

4.1. Analoge Messwerke

- Prinzip: Messen geschieht durch Vergleichen - Verglichen wird:

Drehmoment hervorgerufen durch Messstrom I und Gegenmoment hervorgerufen durch Spiralfeder

- Notwendigkeit von Dämpfungseinrichtungen

- Allgemeiner mechanischer Aufbau:

- Verschiedenartige Messwerke

Drehspulmesswerk

- Eigenschaften - Einsatzbereiche

Dreheisenmesswerk

- Eigenschaften - Einsatzbereiche

Page 16: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 16 von 31

elektrodynamisches Messwerk (Produktenmesser)

- Eigenschaften - Einsatzbereiche -

Kreuzspulmesswerk (Quotientenmesser)

- Eigenschaften - Einsatzbereiche

Vibrationsmesswerk (Frequenzmesser)

- Eigenschaften - Einsatzbereiche

Leistungsfaktormesswerk (cos ϕ - Messer)

- Eigenschaften - Einsatzbereiche

Page 17: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 17 von 31

Induktionszähler (Wh- Zähler)

- Eigenschaften - Einsatzbereiche

4.2. Messfehler, Genauigkeitsklassen DIN VDE 0410

- Messfehler F:

F= Aa –Aw Aa : = angezeigter Wert Aw : = wahrer Wert

- Zulässiger Anzeigefehler f (Genauigkeitsklasse):

%100A

AAf

End

wa⋅

−=

- Beispiel: USE= 250V Klasse = 1 Uangezeigt = 150V

Ergebnis: 147,5V < Uwahr < 152,5V

4.3. Empfindlichkeit, Eigenverbrauch und innerer Widerstand

Page 18: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 18 von 31

4.4. Kennzeichnung von Messwerken

- Skalenbeschriftungen von Messwerken nach DIN 43802

- Skalen von Messwerken nach DIN 43802

Schalttafelinstrumente Feinmessinstrumente

Page 19: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 19 von 31

- Ursache der Paralaxe - Nullpunkteinstellung

4.5. Messbereichserweiterung

4.5.1. Strombereichserweiterung (s.a. Labor)

I RN N

I

IM

MU

M

MMN

II

IRR

⋅=

UM:= max. Messwerkspannung

IM:= max. Messwerkstrom

RM:= Messwerkwiderstand

RN:= Nebenwiderstand (Shunt)

4.5.2. Spannungsbereichserweiterung (s.a. Labor)

I R V

U

UURV M

MM

MV R

U

UUR ⋅

−=

RV:= Vorwiderstand

4.6. Widerstandsmessung

RIV

RX

UBat. Rangezeigt

M

MBatV

I

UUR

−=

.

UBat.:= Batteriespannung

RX:= Messwiderstand

Page 20: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 20 von 31

4.6.1. Spannungsrichtige Messung (s.a. Labor)

4.6.2. Stromrichtige Messung (s.a. Labor)

4.6.3. Ohmmeterschaltung (s.a. Labor)

4.6.4. Vielfachmessgerät (s.a. Labor)

4.7. Messverfahren

4.7.1. Wheatestonesche Messbrücke (s.a. Labor)

1R R2

RN XR

NX RR

RR ⋅=

1

2

RN, R1, R2:= Brückenwiderstände

RX:= unbekannter Widerstand

4.7.2. Kompensationsverfahren (s.a. Labor)

XUMessU

NX RR

RR ⋅=

1

2

4.7.3. Innenwiderstandsmessung (s.a. Labor)

M

VergleichULastRi R

IU0

RL

RL

Mi

I

UR =

Page 21: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 21 von 31

5. Spannungsquellen 5.1. Arten der Spannungserzeugung

5.1.1. Thermoelektrizität

Thermospannungen in mV (Mittelwerte gegen Platin bei 100 K Temperaturunterschied):

Metall Thermospannungen Metall Thermospannungen

Wismut Konstantan Nickel Palladium Quecksilber Platin Graphit Aluminium Magnesium Zinn Tantal Indium Gold

-7,1 -3,26 -1,57 -0,28 -0,20 0 +0,22 +0,39 +0,42 +0,42 + 0,425 +0,67 +0,68

Zink Manganin Silber Kupfer Wolfram V2A-Stahl Kadmium Molybdän Eisen Chromnickel Antimon Silizium Tellur

+0,69 +0,70 +0,73 +0,75 +0,77 +0,77 +0,89 + 1,24 +1,88 + 2,20 +4,78 +44,80 +50,00

5.1.2. Photoelektrizität

5.1.3. Piezoelektrizität

5.1.4. Berührungselektrizität

5.1.5. Elektrizitätserzeugung

- Influenz

- Magnetische Induktion (s. Kapitel 9)

- Chemische Umsetzung (s. Kapitel 7)

Page 22: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 22 von 31

5.2. Verhalten von Spannungsquellen

- Bestimmung des Betriebsverhaltens (Generatorkennlinie)

5.2.1. Spannungsquellenersatzschaltbild (ESB)

R

U0

URi K

I

Last

aussagefähi-geres ESB:

Kurzsch

luss

Leerlauf

UK

0U

IK0

0I

Klemmenspannung UK: iK RIUU ⋅−= 0 [ ]V

Leerlaufspannung U0: 0UU K = [ ]V

Kurzschlussstrom IK: i

KR

UI 0= [ ]A

- Bestimmung des Arbeitspunktes aus Generator- und Verbraucherkennlinie

- Messtechnische Bestimmung des Arbeitspunktes

5.2.2. Stromquellenersatzschaltbild (ESB)

I I IK i

R Ri Lastk

U

Kurzs

chluss

Leerlauf

UK

0U

IK0

0I

5.2.3. Leistungsanpassung 5.2.4. Schaltungen von Spannungserzeugern

- Reihenschaltung

- Parallelschaltung

Page 23: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 23 von 31

6. Wirkung des elektrischen Stromes, Energieumwandlung 6.1. Wärmewirkung

- Joulesches Gesetz:

∫ ⋅=⋅⋅=t

el UQdtiuW0

.2

1

- Technische Anwendungen:

- Thermische Energiegleichung:

Wärmeenergien W:

ϑ∆⋅⋅= WcmW

m:= Masse [ ]kg

cw:= spezifische Wärme

⋅Kkg

kWs

∆ϑ:= Temperaturdifferenz [ ]K 6.2. Chemische Wirkung (s.a. Kap.7) 6.3. Magnetische Wirkung (s.a. Kap.9) 6.4. Wirkungsgrad η

- Arbeitswirkungsgrad ηW:

WVerl.

WzuabW

zu

Verlzu

zu

abW

W

WW

W

W .−==η

Wzu := zugeführte Energie [ ]Ws WVerl.:= Verlustenergie [ ]Ws

Wab := Nutzenergie [ ]Ws

- Leistungswirkungsgrad ηP:

zu

Vzu

zu

abP

P

PP

P

P −==η

- Wirkungsgrad = f(Ri und RLast): Leistungsanpassung (s.a. Kapitel 5.2.1.)

- Wirkungsgrade technischer Geräte:

Page 24: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 24 von 31

7. Elektrochemische Vorgänge 7.1. Elektrolyse

- Leiter 1.Klasse ↔ Leiter 2.Klasse

- Chemischer Prozess in Leitern 2.Klasse: Elektrolyse

- Ursache der Elektrolyse: Dissoziation

- Beispiele für die Dissoziation

- Technische Anwendung der Elektrolyse

7.2. Faradaysches Gesetz

tIcm ⋅⋅=

w

M

sA

kgc ⋅

⋅⋅=

965,010 8

m := umgesetzte Stoffmenge [ ]kg c := el.-chem.Äquivalent M := Molekulargewicht w := Wertigkeit

Element Abkürzung Molekulargewicht Wertigkeit

Wasserstoff H+ 1,008 1 Natrium Na+ 23,00 1 Aluminium Al+++ 26,97 3 Chrom Cr 52,01 3 Eisen Fe++ 55,84 2 Eisen Fe++ 55,84 3 Nickel Ni++ 58,69 2 Nickel Ni+++ 58,69 3 Kupfer Cu+ 63,57 1 Kupfer Cu++ 63,57 2 Silber Ag+ 107,9 1 Zink Zn++ 65,38 2 Kadmium Cd++ 112,4 2 Gold Au+++ 197,1 3 Quecksilber Hg+ 200,6 1 Quecksilber Hg++ 200,6 2 Blei Pb++ 207,2 2 Hydroxyl OH- 17,01 1 Sauerstoff 0-- 16,00 2 Chlor Cl- 35,46 1 Nitrat NO3- 62,01 1 Sulfat SO4-- 96,06 2 Bleisuperoxyd PbO2-- 239,2 2

7.3. Widerstand des Elektrolyten

- Vergleich zu Leitern 1.Klasse

- R= f(Konzentration)

- Temperaturkoeffizient

Page 25: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 25 von 31

7.4. Polarisation

PPRIIU +⋅=⋅ 2

IUP PP ⋅=

IU ⋅ := zugeführte elektrische Leistung

RI ⋅2 := Wärmeleistung PP := Polarisationsleistung PU := Polarisationsspannung

7.5. Elektrochemische Spannungserzeugung

7.5.1. Elektrodenpotential

- Elektrodenpotential = f(Material, Elektrolyt, Konzentration, Temperator)

- Elektrodenpotential ≠ f(Eintauchtiefe)

-

7.5.2. Elektrochemische Spannungsreihe

Normalpotentiale gegen Wasserstoff als Vergleichselektrode bei 18°C in 1-molarer Salzlösung gemessen:

Element ∆U [ ]V

Lithium -2,96 Kalium -2,92 Natrium -2,71 Magnesium -1,87 Aluminium -1,66 Zink -0,76 Chrom -0,74 Eisen -0,44 Kadmium -0,41 Indium -0,35 Nickel - 0.25 Zinn -0,14 Blei -0,13 Wasserstoff 0 Antimon + 0,2 Wismut +0,23 Kupfer +0,340 Sauerstoff +0,393 Kohlenstoff +0,74 Quecksilber +0,78 Silber +0,80 Platin +1,20 Gold +1,50

Page 26: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 26 von 31

7.5.3. Primärelemente

Bauformen von Primärzellen des Systems „Zink-Braunstein“ nach DIN 40855

Rundzelle Flachzelle (Blockbatterie) Knopfzelle

Spannungs- Strom- Kennlinie (Belastungskennlinie) Entladekennlinie

Vergleich verschiedener Systeme

Energiedichte Entladungskennlinien (qualitativ)

Quelle: E.Böhmer, Elemente der angewandten Elektronik, Verlag Vieweg

Page 27: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 27 von 31

7.5.4. Sekundärelemente

Bauformen von Sekundärzellen nach DIN 40729:

Bleibatterien NiCd- Batterien Gebräuchlichste Akkusysteme:

**) gültig für 20°C. Die Selbstentladung steigt erheblich mit der Temperatur. Batterien daher kühl lagern! Bei Batterien im ,,Bereitschafts-Parallelbetrieb", die ständig mit dem Ladegerät verbunden sind, führt man nach dem Laden zum

Ausgleich der Selbstentladung noch eine ,,Erhaltungsladung" durch. Zumindest bei NiCd- und NiMH-Akkus sollte dies in gepulster Form geschehen, da ein kontinuierlicher Ladestrom über längere Zeit zu Kapazitätsminderung führt.

***) Ladeschlussspannung ULS und Entladeschlussspannung UES sind Grenzwerte, siehe Herstellerangaben.

Seit 1990 stellen auch einige Firmen Alkali-Mangan-Zellen (,,Alkaline") als Sekundärzellen her. Diese sind kompatibel zu den herkömmlichen Primärzellen mit 1,5 V Nennspannung, tiefentladefest bis 0,8 V und haben nur eine Selbstentladungsrate von 3%/ Jahr. Lade- und Entladezyklus von Pb- und NICd- Akkus:

Quelle: E.Böhmer, Elemente der angewandten Elektronik, Verlag Vieweg

Page 28: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 28 von 31

Kennwerte:

- Kapazität [ ]Ah = f(Material, Plattengröße, IEntlade)

- Wirkungsgrad: ηWh ↔ ηAh

- Ladestrom

- Innenwiderstand

- Verlauf der Lade- und Entladespannungskurve (beim Bleiakku)

- Vor- und Nachteile: Bleiakkus ↔ Stahlakku

- Wartungs- und Betriebsvorschriften

- Ladeeinrichtungen

7.5.5 Brennstoffzelle

Quelle: E.Hering, Grundwissen des Ingenieurs, Fachbuchverlag Leipzig

Page 29: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 29 von 31

Quelle: E.Böhmer, Elemente der angewandten Elektronik, Verlag Vieweg

Page 30: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 30 von 31

Quelle: E.Böhmer, Elemente der angewandten Elektronik, Verlag Vieweg

Page 31: Elektrotechnik 1 - Startseite: Hochschule Bremerhaven · EMA Labor für Elektrische Maschinen, Geräte und Anlagen der Hochschule Bremerhaven Prof. Dr.-Ing. G.Löffelmacher Elektrotechnik

Dr. G.Löffelmacher: Übersicht ET1 17.03.2006 Seite 31 von 31

7.5.6. Elektrochemische Korrosion

Ursache:

- Beispiele

- Abhilfe: elektrochemischer Korrosionsschutz: Opferanode

elektrischer Korrosionsschutz: