Elektrotechnik in der Praxis

Herbert Bernstein

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2016
• ISBN drucken: 9783110440980
• eBook-ISBN: 9783110433197
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Physik

Das Buch behandelt anhand praktischer Beispiele lineare und nichtlineare Gleichstromkreise, Widerstände, Kondensatoren und Spulen. Die Grundbegriffe der Wechselstromtechnik werden simuliert, die Leistungen im Wechselstromkreis und in Schwingkreisen werden mit Messgeräten untersucht. Den Abschluss bilden Mehrphasensysteme: Drehstrom und nicht sinusförmige periodische Vorgänge.

1Elektrotechnische Grundbegriffe

Die Geschichte der Elektrizität reicht etwa 3000 Jahre zurück. Lange Zeit waren die elektrischen Wirkungen geheimnisvollen Deutungen unterworfen. Erst im 19. und 20. Jahrhundert konnten diese Wirkungen durch planmäßiges Experimentieren und exaktes Messen genauer beschrieben werden. Man erkannte, dass die meisten Vorgänge nach bestimmten Gesetzen verlaufen. Die sinnvolle Anwendung dieser Gesetzmäßigkeiten führte zu einer steilen Entwicklung der Elektrotechnik und – seit einigen Jahrzehnten – der Elektronik. Der Mensch stellte die Elektrizität in seinen Dienst. Muskelarbeit, Aufgaben der Sinnesorgane, in vielen Fällen auch Funktionen des Gehirns und des Nervensystems wurden von elektrischen und elektronischen Einrichtungen übernommen.

Die Elektrotechnik umfasst dabei vorwiegend Bereiche, in denen der Energiegehalt der Elektrizität eine Rolle spielt (Elektromotoren, elektrische Heizung usw.), während elektronische Geräte oft zum Messen, Steuern und Regeln dieser Energie eingesetzt werden. Es gibt zahlreiche Anwendungen von Einrichtungen, die aus elektrischen und elektronischen Bauelementen bestehen. Eine scharfe Abgrenzung beider Gebiete gegeneinander ist oft nicht möglich. Tatsächlich verwenden beide gemeinsame Grundlagen.

Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge geht man von den Wirkungen der Elektrizität aus und vergleichen diese mit anschaulichen Vorgängen, von denen man feste Vorstellungen hat.

Die gesamte Materie besteht aus winzigen Bausteinen, den Atomen (atomos, griechisch: unteilbar). Ein Kupferwürfel mit einer Kantenlänge von 1 cm enthält etwa 1023 Atome, die fest aneinander „gebunden“ sind. Nach den Erkenntnissen der Atomphysik setzen sich Atome aus noch kleineren Teilchen zusammen: Elektronen, Protonen und Neutronen. Als Modell für den Atomaufbau dient unser Sonnensystem, bei dem Planeten (Erde, Jupiter, Mars usw.) um einen gemeinsamen Kern, die Sonne, kreisen. Stoffe, die aus gleichartigen Atomen aufgebaut sind, bezeichnet man als Grundstoffe.

Heute weiß man, dass die Elektrizität eine Eigenschaft der Elektronen ist. Diese kleinsten Teilchen umkreisen den Atomkern mit großer Geschwindigkeit. Je nach Grundstoff findet man in dessen Atomen eine unterschiedliche Zahl von Elektronen auf verschiedenen Bahnen, den Elektronenschalen. Ein Elektron trägt die kleinste vorkommende Elektrizitätsmenge und für die Art seiner elektrischen Ladung hat man die Bezeichnung negativ festgelegt.

Nun zu den Kernbausteinen, den Neutronen und Protonen. Letztere tragen die gleiche Elektrizitätsmenge wie die Elektronen. Da sich ihre elektrische Ladung jedoch umkehrt, verhält sie sich wie ein Elektron und ist positiv. Diese positiven Protonen bestimmen, zusammen mit den elektrischen neutralen Neutronen, im Wesentlichen das Gewicht des Atoms.

Da die Elektronen mit großer Geschwindigkeit den Atomkern umkreisen, müssten sie durch die Fliehkraft aus ihrer Bahn geschleudert werden, wenn nicht die beiden entgegengesetzten Ladungen im Atom (Elektronen: negativ, Protonen: positiv) sich gegenseitig anziehen würden. Umgekehrt stoßen sich Körper mit gleichartiger elektrischer Ladung gegenseitig ab. Diese Wirkung der Elektrizität führte schon im Altertum zu dem Begriff Elektron (elektron, griechisch: Bernstein). Die Griechen hatten festgestellt, dass geriebener Bernstein leichte Körper anzieht und anschließend wieder abstößt.

1.1Grundbegriffe

Grundbaustein der Materie ist das Atom. Es besteht aus einem Atomkern und mehreren Elektronen, die sich auf verschiedenen Bahnen, auch Elektronenschalen genannt, um den Kern bewegen. Abbildung 1.1 zeigt den Atomaufbau.

Abb. 1.1: Aufbau eines Atoms

Der Durchmesser eines Atoms beträgt etwa 1 . 10─10 m. Der Durchmesser des Kerns verhält sich zum Durchmesser des gesamten Atoms wie 1 : 10 000. (Vergleich: Hätte das Atom einen Durchmesser von 10 m, wäre der Atomkern nur so groß wie ein Stecknadelkopf!)

Im Kern eines Atoms befinden sich zwei verschiedene Bausteine, die Protonen und die Neutronen, wie Abb. 1.2 zeigt.

Abb. 1.2: Ladungsträger im Atom

Die Eigenschaften dieser Atombausteine sollen im Folgenden näher untersucht werden. Zwischen Kern und Elektronen herrscht eine elektrische Kraft. Die Ursache für diese elektrische Kraft ist die elektrische Ladung. Die Elektronen sind negativ und die Protonen sind positiv geladen. Die Neutronen sind nicht geladen, d. h., sie sind elektrisch neutral.

Im Normalfall befinden sich in einem Atom genauso viele Elektronen auf den Schalen, wie Protonen im Kern vorhanden sind. Die negativen Ladungen heben sich mit den positiven Ladungen gegenseitig auf, d. h., das Atom ist nach außen elektrisch neutral.

Jedes Atom eines bestimmten chemischen Grundstoffes oder Elementes hat eine bestimmte Anzahl von positiven Ladungen im Kern. Diese Kernladungszahl ermöglicht es, alle bekannten chemischen Elemente der Reihe nach zu ordnen. Die Kernladungszahl wird deshalb auch als Ordnungszahl bezeichnet. Abbildung 1.3 zeigt den Aufbau eines Kupferatoms mit der Ordnungszahl, Kernladungszahl, Anzahl der Protonen und Elektronen.

Abb. 1.3: Aufbau eines Kupferatoms

Die Kernbausteinen bestehen aus Neutronen und Protonen. Letztere tragen die gleiche Elektrizitätsmenge wie die Elektronen. Da sich ihre elektrische Ladung jedoch umgekehrt verhält wie die des Elektrons, bezeichnet man sie als positiv. Diese positiven Protonen bestimmen, zusammen mit den elektrischen neutralen Neutronen, im Wesentlichen das Gewicht des Atoms.

Betrachtet man nun wieder das Atommodell. Die Fliehkraft eines Ele...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Elektrotechnische Grundbegriffe
• 2 Einfacher Stromkreis
• 3 Widerstände
• 4 Kondensator
• 5 Elektromagnetismus und Induktivität
• 6 Wechselstrom
• 7 Drehstrom
• 8 Messgeräte
• Literaturverzeichnis
• Index