Gleichstromtechnik

Von Joachim Patzke und Michael Koch

Dieses eBook behandelt die Themen des ersten Semesters im Fach "Grundlagen der Elektrotechnik" für Elektroingenieure an der Hochschule Hannover.
Der Aufbau orientiert sich an der Vorlesung und die wichtigsten Erkenntnisse werden durch Übungsaufgaben gefestigt.
Inhalt:
- Einführung (Aufbau der Materie, Coulombkraft)
- Elektrisches Feld
- Spannung und Potential im homogenen Feld
- Homogenes Strömungsfeld und Strom
- Widerstand und Leitwert
- Temperaturabhängigkeit von Widerständen
- Bauelemente und Schematische Darstellung
- Elektrische Leistung und Zählpfeilsysteme
- Grundbegriffe der Netzwerktheorie
- Allgemeine Berechnung von Netzwerken
- Reale Spannungs- und Stromquellen
- Zweipoltheorie
- Überlagerungssatz
- Knotenpotentialverfahren
- Leistungsanpassung und Wirkungsgrad
- Nichtlineare Widerstände in Netzwerken

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: epubli
• Erscheinungsdatum: 25. Aug. 2014
• ISBN: 9783844292725

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1      Einführung

1.1   Physikalische Größen und Einheitensysteme

Da die Notation mathematischer und physikalischer Zusammenhänge die Grundlage für die Vermittlung naturwissenschaftlicher Inhalte ist, werden die wichtigsten Begriffe im Folgenden kurz dargestellt. Dieses ist lediglich im Sinne einer knappen Wiederholung eines als bekannt vorausgesetzten Stoffs zu verstehen. Für weitergehende Betrachtungen sei z.B. auf [ 1 ] verwiesen.

Eine physikalische Größe, dargestellt durch ihr Formelzeichen, setzt sich aus Zahlenwert und Einheit zusammen.

Beispiele:

Kraft:          F = 50 N

Fläche:      A = 50 m²

1.1.1  Größengleichungen

Setzt man physikalische Größen in Formeln zueinander in Beziehung, so erhält man sog. Größengleichungen, deren Bedeutung unabhängig von den verwendeten Einheiten ist. Bei der Auswertung werden die Größen durch das Produkt von Zahlenwert und Einheit ersetzt und das Ergebnis wird ggf. auf praktikablere Einheiten umgerechnet.

Beispiel für die phys. Größe „Druck":

1.1.2  SI-Einheitensystem

Es wird hier immer das genormte SI-System (Système International d’Unités) benutzt, das aus den in Tabelle 1.1 dargestellten 7 Basiseinheiten besteht. Alle anderen Einheiten sind aus den Basiseinheiten abgeleitet bzw. durch diese darstellbar.

Teil des SI-Systems ist das MKSA – System (Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere).

Tabelle 1.1 SI-Basiseinheiten

1.2   Aufbau der Materie

1.2.1  Elementarteilchen

Jede Materie ist aus 3 Elementarteilchen aufgebaut:

Protonen, Elektronen und Neutronen

Jedes Elementarteilchen zeichnet sich durch einige charakteristische Eigenschaften aus. Die wichtigsten sind die Ruhemasse m und die Ladung q.

1.2.2  Wechselwirkungen

Die Elementarteilchen üben Kräfte aufeinander aus. Nach heutigem Kenntnisstand lassen sich alle Erscheinungen im Universum auf 4 Grundkräfte zurückführen.

a)   Gravitationskraft. An die Eigenschaft „Masse" gebunden. Zwei massebehaftete Teilchen ziehen sich über die Gravitationskraft an. Die Kraft hat eine große Reichweite.

b)   Elektromagnetische Kraft. An die Eigenschaft „elektrische Ladung" gebunden. Einfachste Form ist die elektrostatische Kraft (Coulombkraft). Kann anziehend oder abstoßend sein. Es gibt 2 verschiedene Ladungsarten, positive und negative. Zwei Teilchen mit gleicher Ladungsart stoßen sich ab, zwei Teilchen mit unterschiedlicher Ladungsart ziehen sich an. Die Kraft hat eine große Reichweite.

c)   Starke Kraft. Bewirkt Anziehung zwischen Protonen und Neutronen die sehr nahe beieinander sind so, dass der Atomkern stabil bleibt. Kraft hat eine geringe Reichweite.

d)   Schwache Wechselwirkung. Spielt eine Rolle beim radioaktiven Zerfall und hat eine geringe Reichweite.

Für den Ingenieur sind starke Kraft und schwache Wechselwirkung auf Grund der geringen Reichweite nicht von Bedeutung. Alle Beobachtungen lassen sich durch Gravitation und elektromagnetische Kraft erklären.

1.2.3  Elementarladungen

Elektronen und Protonen haben die kleinstmögliche Ladung:

Man ordnet dem Elektron die negative und dem Proton die positive Ladung zu. Das Neutron trägt keine Ladung.

1.2.4  Atome

Atome sind aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut. Elektronen bilden die Atomhülle, Protonen und Neutronen bilden den Atomkern.

Tabelle 1.2 Masse und Ladung der Elementarteilchen

Größenordnungen:

Durchmesser des Kerns:   

Durchmesser des Atoms:  

Normalzustand: Die Anzahl der Protonen Z im Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle, d.h. das Atom ist elektrisch neutral. Z heißt die Ordnungszahl.

Atome eines Elements haben die gleich Ordnungszahl, können sich aber in der Neutronenzahl unterscheiden. Die Elektronen der Hülle sind in Schalen organisiert. Die äußere Schale ist für das elektrische Verhalten des Atoms bestimmend und heißt Valenzschale. Deren Elektronen heißen Valenzelektronen.