G Elektrotechnik
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Elektrotechnik
H. Clausert K. Ho−mann W. Mathis G. Wiesemann H.-P. Beck
G Elektrotechnik
Netzwerke G. Wiesemann 1 Elektrische Stromkreise 1.1 Elektrische Ladung und elektrischer Strom 1.1.1 Elementarladung
Bild 1-1. Der Zusammenhang zwischen Strom i und La-
Das Elektron hat die Ladung −e, das Proton die Ladung +e; hierbei ist e = 1,602176487 · 10−19 A s die Elementarladung. Jede vorkommende elektrische Ladung Q ist ein ganzes Vielfaches der Elementarladung: Q = ne . 1.1.2 Elektrischer Strom
Wenn sich Ladungsträger (Elektronen oder Ionen) bewegen, so entsteht ein elektrischer Strom, seine Größe wird als Stromstärke i bezeichnet. Sie wird als Ladung (oder Elektrizitätsmenge) durch Zeit definiert: " dQ i= ; Q= i dt . dt Fließt ein Strom i während der Zeit Δt = t2 − t1 durch einen Leiter, so tritt durch jede Querschnittsfläche dieses Leiters die Ladung "t2 ΔQ =
i(t) dt
dung Q
se, Thyristoren), Elektrolyten (galvanische Elemente, Galvanisieren), in Gasen (z. B. Leuchtstofflampen, Funkenüberschlag in Luft) und im Hochvakuum (Elektronenröhren). Kommt ein Strom durch die Bewegung positiver Ladungen zustande, so betrachtet man deren Richtung auch als die Richtung des Stromes (konventionelle Stromrichtung). Wenn aber z. B. Elektronen von der Kathode zur Anode einer Elektronenröhre fliegen (Bild 1-2), so geht der positive Strom i von der Anode zur Kathode (v Geschwindigkeit der Elektronen). Die folgenden drei Wirkungen des Stromes werden zur Messung der Stromstärke verwendet: 1. Magnetfeld (Kraftwirkung) 2. Stofftransport (z. B. bei Elektrolyse) 3. Erwärmung (eines metallischen Leiters). Besonders geeignet zur Strommessung ist die Kraft, die auf eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld wirkt (Drehspulgerät). Die Kraft, die zwei strom-
t1
hindurch (Bild 1-1). Technisch wichtig sind außer dem Strom in metallischen Leitern auch der Ladungstransport in Halbleitern (Dioden, Transistoren, Integrierte Schaltkrei-
Bild 1-2. Konventionelle Richtung des Stromes i und Ge-
schwindigkeit v der Elektronen in einer Hochvakuumdiode
H. Czichos, M. Hennecke (Hrsg.), HÜTTE – Das Ingenieurwissen, DOI 10.1007/978-3-642-22850-6_7, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012
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G Elektrotechnik / Netzwerke
durchflossene Leiter aufeinander ausüben, dient zur Definition der SI-Einheit Ampere für den elektrischen Strom (vgl. B 1.3): 1 Ampere (1 A) ist die Stärke eines zeitlich konstanten Stromes durch zwei geradlinige parallele unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem Querschnitt, die voneinander den Abstand 1 m haben und zwischen denen die durch diesen Strom hervorgerufene Kraft im leeren Raum pro 1 m Leitungslänge 2 · 10−7 m kg/s2 = 2 · 10−7 N beträgt. Beispiel für die Driftgeschwindigkeit von Elektronen. Durch einen Kupferdraht mit dem Querschnitt A = 50 mm2 fließt der Strom I = 200 A (Dichte der freien Elektronen: n = 85 · 1027 /m3 = 85/nm3 ). Die Driftgeschwindigkeit ist vdr =
mm I ≈ 0,3 . enA s
Richtung des Stromes in einem Zweig zunächst nicht bekannt, so ordnet man ihm willkürlich einen sogenannten Zählpfeil b
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