Grundlagen E-Technik

Schnelle Übersicht:

• physikalische Grundlagen
• Elektrische Grundgrößen: Spannung,Strom, Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad.
• Ohm´sches Gesetz, Leiterwiderstand
• Reihen- Parallelschaltung, gemischte Schaltung
• Bauteilkunde
• Brückenschaltung
• Innenwiderstand von Spannungsquellen
• Arbeitspunkt, Anpassungsarten

... und noch ein paar Themen.

Schöne Lernvideos zu den verschiedensten Themen  gibt's hier:
https://studyflix.de/elektrotechnik/

Macht doch Watt ihr Volt?
So ähnlich. Doch bis es dazu kommt, ist es wichtig, die nicht-elektrischen physikalischen Größen zu wiederholen. Ohne eine klare Vorstellung von Arbeit, Leistung, ... ist es nicht möglich, die entsprechenden Größen im Bereich der Elektrizitätslehre zu verstehen.

Der Energieerhaltungssatz
Bei der Erzeugung der elektrischen Energie handelt es sich immer um Energieumwandlungen.
Was bedeutet das?
Um elektrische Energie zu gewinnen, muss eine andere Energieform eingesetzt werden.
Was kann das sein?
Beispiele:

• Bewegungsenergie des Wassers: Wasserkraftwerk
• Bewegungsenergie des Windes: Windkraftwerk
• Thermische Energie, erzeugt durch Verbrennung von Gas, Öl, Kohle, durch Kernkraft:
  Mit der thermischen Energie wird Dampf erzeugt, der Dampf treibt eine Turbine an und diese einen Generator.
• Solarkraftwerke - Photovoltaik: Direkte Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne durch den photoelektrischen Effekt.

Immer wird also eine Energieform in eine andere umgewandelt. Dabei entstehen außer der gewünschten Energieform immer auch Verluste durch Wärme, die den Wirkungsgrad des Systems beeinflussen.
Die Energiemenge bleibt jedoch insgesamt konstant.
Dies drückt der so genannte Energieerhaltungssatz aus.

Hier noch ein Video, zum Thema:

Anmerkung zum Schlussbeispiel im Video:
Für die im Gummi der Schleuder gespeicherte Energie ist, ebenso bei gespannten Stahlfedern, eher der Begriff "Spannenergie" üblich.

Bevor es "ernst" wird starten wir mit einen komprimierten Übersicht der wichtigsten Begriffe aus dem Bereich der Elektrizitätslehre. Z.B. Anhand des Wasserkreislaufs mit Pumpe, Ventil und "Verbraucher" wird der Stromkreis veranschaulicht. Auch die Grundschaltungen werden schon mal erwähnt, alles aber noch ohne Berechnungen.

Spannung, Strom, Stromdichte, elektrische Arbeit und Leistung, Wirkungsgrad. Wie sind sie definiert? Ein keines Video zu Spannung und Strom macht den Anfang und begleitet die Arbeitsblätter dazu.

Reibungselektrizität
Jeder kennt das: Beim Laufen über den Teppichboden, beim Ausziehen eines Fleece-Pullovers, beim Aussteigen aus dem Auto, auf dem Trampolin ... bei vielen Gelegenheiten laden wir uns durch Reibungselektrizität "statisch" auf. Wenn wir dann ein metallisches Objekt berühren oder Bodenkontakt bekommen, kann es eine deutlich spürbare Entladung geben. Wie kommt das? Und wie hoch können dabei die Spannungen sein?

Alles klar? Dann gibt's hier Übungsaufgaben zu den Grundgrößen.

Die Stromarten: Gleich- Wechsel und Mischstrom.
Strom aus einer Batterie und Strom aus der Steckdose - was ist denn da der Unterschied?
Arbeitsblatt zur Eigenarbeit mit Hilfe des Fachkundebuches.

Es ist tatsächlich so:
Wer das Ohm´sche Gesetz verstanden hat, hat die Elektrotechnik verstanden.
Es begegnet uns überall, ob bei Gleichströmen, in der Wechselstromtechnik, bei Berechnungen von Leitungen und sogar den geheimnisvollen Antennen ...
In Kurzform - wovon ist die Höhe eines Stromflusses abhängig?

1. Der Strom ist bei konstanter Last (Widerstand) der veränderlichen Spannung proportional
   I ~ U wenn R = konstant
2. Der Strom ist bei konstanter Spannung dem veränderlichen Widerstand umgekehrt proportional:
   I ~ 1/R wenn U = konstant

Daraus ergibt sich zusammen I = U/R und umgestellt R=U/I, U=R*I

That's it (-; . Isn't that easy?

Merke zur Reihenschaltung:

1. Die gemeinsame Größe ist der Strom
2. Es teilen sich die Spannungen auf:
   Uo = U1 + U2 + ... Un
   (Uo ist hier die Spannung der Quelle, U1, U2 ... die Spannungen an den "Verbrauchern".)
3. Die Aufteilung erfolgt im Verhältnis der Widerstände, da U ~ R wenn I konstant (für alle Elemente der Reihenschaltung) ist.
   Beim einfachen Spannungsteiler gilt: U1/U2 = R1/R2.

Merke zur Parallelschaltung:

1. Die gemeinsame Größe ist die Spannung
   
2. Es teilen sich die Ströme auf:
   Io = I1 + I2 + ... In
   (Io ist hier der Strom der Quelle, I1, I2 ... die Ströme durch die "Verbraucher".
3. Die Aufteilung erfolgt im umgekehrten Verhältnis der Widerstände, da I ~ 1/R wenn U konstant (für alle Elemente der Parallelschaltung) ist.
   Beim einfachen Stromteiler gilt: I1/I2 = R2/R1

Gemischte Schaltungen müssen nach Reihen- und Parallelschaltungen "sortiert" und zusammengefasst werden. Das ist Übungssache (wie so Vieles ;-), da man den Blick dafür bekommen muss.
Kurzinfo - wie geht das nochmal?

1. Schaltung analysieren, von "innen nach außen".:
2. Welche Elemente liegen in Reihe und werden vom selben Strom durchflossen? 
   > Reihenschaltung zusammenfassen nach den Gesetzen der Reihenschaltung und "Ersatzwiderstand" daraus bilden.
3. Welche Elemente liegen parallel und damit an der selben Spannung ?
   > Parallelschaltung zusammenfassen nach den Gesetzen der Parallelschaltung und "Ersatzwiderstand" daraus bilden.
4. Die Schaltung ist damit auf die Ersatzwiderstände reduziert, jetzt:
5. Schaltung der Ersatzwiderstände analysieren (wie bei 1.)
6. Wieder bei 2 anfangen, bis nur noch ein Widerstand übrig ist.
   Das ist dann der Gesamtwiderstand Rges.

Weitere Online-Übungen, aus dem Amateurfunkkurs des DARC:

https://www.darc.de/der-club/referate/ajw/lehrgang-te/e04/

Leider hat jeder normale Leiter einen Leiterwiderstand. Leider ;-).
Dieser Widerstand hängt von

• der Leiterlänge
• der Querschnittfläche
• der Temperatur und
• dem Material ab.

Er ist dafür verantwortlich, dass auf einer Leitung Spannung "abfällt", sobald Strom fließt. Dieser Spannungsfall reduziert damit die Spannungshöhe am "Verbraucher", wo wir ja eigentlich die volle Spannung haben wollen. Daher müssen Leiterwiderstand und die Höhe des Stromflusses zueinander "passen".

Die Brückenschaltung ist eine besondere Form der gemischten Schaltung und hat große Bedeutung in der praktischen Anwendung, wie schon bei der Einführungsdemo zu sehen war.

Der Begriff "Widerstand" bezeichnet nicht nur die physikalische Größe in der Einheit Ohm, sondern auch das Bauteil. Widerstände gibt es in den verschiedensten Bauformen und für viele Anwendungsbereiche.

In Brückenschaltungen werden Widerstandsbauteile eingesetzt, die Ihren Widerstandswert in Abhängigkeit einer physikalischen Größe andern.
Beispiele:

• LDR - Light Dependend Resistor, lichtabhängiger Widerstand
• DMS - Dehnungsmessstreifen, also Bauteile, die ihren Widerstandswert ändern, wenn sie mechanisch gestreckt oder gestaucht werden. Damit kann man z.B. die mechanische Beanspruchung von Bauteilen/Brückenkonstruktionen messen.
• NTC/PTC: Bauteile, die den Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur ändern. Diese werden hier nun näher untersucht.

Warum passiert es bei einer Batterie, dass die Spannung "zusammen bricht"?
Und wieso wird beim Einschalten von leistungsstarken Geräten/Maschinen manchmal kurzzeitig das Licht dunkler?
Dafür ist in beiden Fällen der so genannte Innenwiderstand der Quelle verantwortlich. Er liegt in Reihe zu den angeschlossenen "Verbrauchern" und folglich kann an ihm ein Teil der Spannung bei Anschluss der Last abfallen. Im folgenden Arbeitsblatt werden zunächst die Grundlagen erarbeitet.
Übrigens - der in der Hausinstallation/Energieversorgung entsprechende "Netzinnenwiderstand" (Zi) ist der Stromweg (vom Ortsnetztrafo zum Anschlusspunkt) über L und zurück über N/PEN. Ein Orientierungswert dafür ist der Wert von 1Ω.
Hier findet sich dazu eine komprimierte Übersicht.

Nachdem nun der Innenwiderstand geklärt ist, steht die Frage im Raum:
Was passiert eigentlich mit dem Ri bei Reihen- oder Parallelschaltung von Spannungsquellen?

Das folgende Arbeitsblatt ist Fortsetzung und Wiederholung. Zum Einstieg wird nochmals erklärt, was eigentlich ein Kennlinie ist. Alles klar ;-)?

Der Amateurfunk-Lehrgang des Deutschen Amateur.Radio-Clubs (DARC) stellt einen sehr guten Online-Lehrgang zur Verfügung, der sehr viele Themen behandelt, die auch an unserer Schule von Bedeutung sind.
Hier können im "Multiple Choice"-Verfahren (Mehrfachauswahl) Aufgaben gelöst und Fragen beantwortet werden.
Link zum Lehrgang (alte Version):

https://www.darc.de/der-club/referate/ajw/darc-online-lehrgang/#c36581

Passend sind hier die Lektionen 1-3.

Der aktuelle Lehrgang nach neuer Prüfungsordnung bietet ebenfalls gute Online-Lernaufgaben:

https://www.50ohm.de/index.html

Hier befasst sich der Abschnitt "Bauteile und Schaltkreise" mit den Grundlagen.