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MeisterkursBienenwirtschaftElektrotechnik17.10.
2010
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Elektrizitätsversorgungsstruktur
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Elektrische Ladung

• Mit der elektrischen Ladung beschreibt man den
  Elektronenmangel oder den Elektronenüberschuss.
  Elektrische Ladung kann ganz einfach durch
  Reibung entstehen (elektrisieren). Dabei werden
  entweder Elektronen weggenommen oder Elektronen
  angehäuft. Dabei entsteht Elektronenmangel
  (positive Ladung) oder Elektronenüberschuss
  (negative Ladung).Ungleiche Ladungen erstreben
  einen Ausgleich. Durch dieses Ausgleichsbestreben
  resultiert der elektrische Strom. Die elektrische
  Spannung ist der Ladungsunterschied zwischen zwei
  Ladungen. Je höher der Unterschied, desto höher
  die Spannung.
• Gleiche Ladungen stoßen sich ab!
• Ungleiche Ladungen ziehen sich an!

Ungleiche Ladungen
Ausgleichsbestreben
Überschüssige Elektronen neigen dazu zu der
Ladung mit der geringeren Anzahl an Elektronen
überzugehen.
Gleiche Ladungen
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Elektrischer Strom / Elektrische Stromstärke
Der elektrische Strom ist das Ausgleichsbestreben
von zwei unterschiedlichen Ladungen. Die
Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein.
Die gezielte und gerichtete Bewegung freier
Ladungsträger ist der elektrische Strom. Er kann
aber nur fließen, wenn zwischen den
unterschiedlichen Ladungen genügend frei
bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Zum
Beispiel durch ein leitfähiges Material (Metall,
etc.). Stromfluss Der Stromfluss wird gerne mit
fließendem Wasser in einem Rohr verglichen. Je
mehr Wasser im Rohr ist, desto mehr Wasser kommt
am Ende des Rohres an. Genauso ist es auch beim
elektrischen Strom. Je mehr Elektronen vorhanden
sind, desto größer ist die elektrische
Stromstärke durch den Leiter.
Zur zahlenmäßigen Beschreibung des elektrischen
Stromes dient die elektrische Stromstärke. Je
mehr Elektronen in einer Sekunde durch einen
Leiter fließen, umso größer ist die
Stromstärke. Formelzeichen Das Formelzeichen des
elektrischen Stroms bzw. der elektrischen
Stromstärke ist das große I. Maßeinheit Die
gesetzliche Grundeinheit des elektrischen Stroms
ist 1 Ampere (A).
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Elektrische Spannung

• Die elektrische Spannung U gibt den Unterschied
  der Ladungen zwischen zwei Polen an.
  Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit
  unterschiedlicher Ladung. Auf der einen Seite ist
  der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf
  der anderen Seite ist der Minuspol mit einem
  Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der
  Elektronenmenge nennt man elektrische Spannung.
  Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen,
  kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang
  fließt ein elektrischer Strom I.
• Über die elektrische Spannung kann folgende
  Aussagen gemacht werden
• Die elektrische Spannung ist der Druck oder die
  Kraft auf freie Elektronen.
• Die elektrische Spannung ist die Ursache des
  elektrischen Stromes.
• Die elektrische Spannung (Druck) entsteht durch
  den Ladungsunterschied zweier Punkte.
• Die elektrische Spannung entsteht durch das
  Ausgleichsbestreben von elektrischen Ladungen.
• Formelzeichen
• Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist
  das große U.
• Maßeinheit
• Die gesetzliche Grundeinheit der elektrischen
  Spannung sit 1 Volt (V).
• Formeln zur Berechnung

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Elektrischer Widerstand
Die Bewegung freier Ladungsträger im Inneren
eines Leiters hat zur Folge, dass die freien
Ladungsträger gegen Atome stoßen und in ihrem
Fluss gestört werden. Diesen Effekt nennt man
einen Widerstand! Durch diesen Effekt hat der
Widerstand die Eigenschaft, den Strom in einer
Schaltung zu begrenzen.Der elektrische
Widerstand wird auch als ohmscher Widerstand
bezeichnet. In der Elektronik spielen Widerstände
eine sehr große Rolle. Neben den klassischen
Widerständen hat jedes andere Bauteil einen
Widerstandswert, der Einfluss auf Spannungen und
Ströme in Schaltungen nimmt. Formelzeichen R Das
Formelzeichen des elektrischen Widerstands ist
das große R. Es steht für die englische
Bezeichnung Resistor (Widerstand). Maßeinheit Di
e Maßeinheit für den elektrischen Widerstand ist
Ohm mit dem Kurzzeichen O (Omega) aus dem
griechischen Alphabet.
Megaohm 1 MO 1 000 000 O 106 O
Kiloohm 1 kO 1 000 O 103 O
Ohm 1 O 1 O 100 O
Milliohm 1 mO 0,001 O 10-3 O
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Der elektrische Stromkreis

• Jeder elektrische Stromkreis besteht im
  Wesentlichen aus
• Spannungsquelle bzw. Stromquelle
• Leitung
• Verbraucher
• In der Spannungsquelle (z.B. Batterie oder
  Steckdose) steht elektrische Energie in Form
  getrennter Ladung zur Verfügung.Die Leitung
  dient als Transportweg für die elektrische
  Energie, die als elektrischer Strom zwischen
  Spannungsquelle und dem Verbraucher fließt.Im
  Verbraucher wird die durch die Spannungsquelle
  erzeugte Energie in eine andere Energieform
  umgewandelt (z.B. Wärme (Elektroofen),
  Lichtenergie (Lampe), Bewegung (Elektromotor)).
  Umgangssprachlich spricht man auch davon, dass
  Energie "verbraucht" wird.
• Im Verbraucher wird dem elektrischen Strom ein
  Widerstand entgegengesetzt.
• Die elektrische Spannung ist die Ursache, die
  einen elektrischen Strom bewirkt. Der Strom ist
  also die Wirkung der elektrischen Spannung

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Elektrische Leistung
Die elektrische Leistung ist ein Wert, den wir in
der Elektronik und Elektrotechnik in den
unterschiedlichsten Definitionsausprägungen
vorfinden. Die Gemeinsamkeit aller Leistungen
(bei Gleichspannungen), ist die Maßeinheit und
das Formelzeichen Formelzeichen Das
Formelzeichen der elektrischen Leistung ist das
große P. Maßeinheit Die Grundeinheit der
elektrischen Leistung ist das Watt (W) oder auch
Voltampere (VA). Letzteres ergibt sich aus der
Berechnung durch Spannung und Strom. Die Angabe
der Maßeinheit VA findet man häufig auf
Transformatoren und Elektromotoren.
Megawatt 1 MW 1 000 000 W 106 W
Kilowatt 1 kW 1 000 W 103 W
Watt 1 W 1 W 100 W
Milliwatt 1 mW 0,001 W 10-3 W
Mikrowatt 1 µW 0,000 001 W 10-6 W
Bei Kraftfahrzeugen, Lokomotiven und
Elektromotoren wurde bis zum 31.12.1977 die
Leistung in Pferdestärke (PS) angegeben. Heute
benutzt man die Leistungsangabe in
kW. Umrechnung 1 PS 736 Watt Formeln zur
Berechnung
Die elektrische Leistung ist rechnerisch ein
Produkt aus elektrischer Spannung und
elektrischem Strom. Je größer die Spannung oder
der Strom ist, desto größer ist die Leistung.
Ähnlich, wie die Größe Fläche durch Längen- und
Breitenangaben beeinflusst wird.
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Elektrische Leistung P, Q, S
Verfügbare Leistung Die verfügbare Leistung ist
die Leistung, die eine Strom- bzw.
Spannungsquelle liefern kann. Ein
Gleichspannungsnetzteil mit den Maximalwerten 30
V und 2 A hat eine Ausgangsleistung von maximal
60 W. Allerdings nur bei einer Ausgangsspannung
von 30V. Nutzleistung Die Nutzleistung ist die
Leistung, die ein Verbraucher im Normalbetrieb
(!) benötigt bzw. verbraucht.Durch eine
Glühbirne mit 60 W, die in einer Lampe an 230 V
betrieben wird, fließt ein Wechselstrom von 0,261
A. Wirkleistung (P), Scheinleistung (S) und
Blindleistung (Q) Ein ohmscher Widerstand setzt
seine aufgenommene Leistung vollständig in Wärme
um. Man nennt das Wirkleistung. Diese Leistung
ist in der Einheit Watt (W) angegeben.Hat ein
Verbraucher neben dem ohmschen Widerstand auch
induktive und kapazitive Anteile, dann entsteht
zwischen Strom und Spannung eine zeitliche
Verschiebung, auch Phasenverschiebung genannt.
Neben der Wirkleistung ist deshalb auch eine
Blindleistung (VAr) vorhanden, die nicht in Wärme
umgewandelt wird. Stattdessen wird die
Blindleistung mit der Frequenz der
Wechselspannung hin- und hergeschoben. Die
Blindleistung wird nicht verbraucht, also auch
nicht als Stromverbrauch berechnet. Sie muss
trotzdem vom Stromlieferanten bereitgestellt
werden. Ist bei der Leistungsaufnahme eines
Geräts Blindleistung dabei, dann wird diese
Leistung als Scheinleistung bezeichnet.Die
Scheinleistung wird in Voltampere (VA) angegeben.
Voltampere soll zumAusdruck bringen, dass in der
Leistung neben der Wirkleistung auch
Blindleistung enthalten ist. Üblicherweise
spricht man bei Wechselstrom- und
Wechselspannungsverbraucher von Scheinleistung.
Auf vielen elektrischen Verbrauchern ist die
Scheinleistungauf dem Typenschild angegeben.
Häufig wegen dem eingebauten Transformator. Bei
Gleichspannung, ist die Scheinleistung gleich der
Wirkleistung P. Die Scheinleistung ist in der
Regel größer als die Wirkleistung
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Wirk-, Blind- und Scheinleistung
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Elektrische Arbeit

• Elektrische Arbeit Leistung Zeit
• W P t in Ws (Wattsekunden) bzw. kWh
  (Kilowattstunden)
• Wenn eine Leistung von 1kW (1.000 W) eine
  Stunde lang verrichter wird 1 kWh
• Die elektrische Arbeit wird vom Zähler gezählt
  und ist zu bezahlen!
• Durch Multipoikation der kWh mit dem
  entsprechenden Stromtarif können die Stromkosten
  berechnet werden
• Elektrische Arbeit Spannung Strom Zeit
• W U I t
• Beispiele
• Ein Elektrogerät mit 2.200 Watt soll an einen
  Stromkereis (230V), der mit einer 6 A Sicherung
  abgesichert ist, angeschlossen werden.
• Ist das möglich?
• PUI -gt I P/U 2.200 W /230 V 9,7 A
• NEIN 9,7 A gt 6 A
• Ein elektrisches Heizgerät mit einer Leistung von
  2.200 W bleibt 10 Stunden eingeschaltet. Wie hoch
  sind die Stromkosten bei einem kWh-Preis von
  0,14

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Berechnung der Stromkosten

• die Wirkleistung (Angabe in Watt (z.B. 60 W) oder
  Kilowatt (z.B. 2 kW)
• die Zeitdauer in der das Gerät eingeschaltet ist
  in Stunden
• sowie den Preis in Euro pro Kilowattstunde ein.

Wirkleistung W
Zeit h
Kosten pro kWh EUR/kWh
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Stromarten

• Es werden drei Stromarten unterscheidet man
• Gleichstrom
• Eigenschaften
• Fließt in die gleiche Richtung
• Lässt sich nicht transformieren
• Lässt sich Speichern (Batterie)
• Wechselstrom ?
• Eigenschaften
• 230 V / 50Hz
• Ändert ständig seine Größe und Richtung (zwei
  Richtungen)
• Lässt sich transformieren
• Drehstrom Dreiphasenwechselstrom
• Eigenschaften
• 3 Phasen 400 V / 50 Hz

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Drehstrom - Dreiphasenwechselstrom
Tesla ist der Erfinder von Wechselstrom und
Drehstrom der bald seinen Siegeszug antrat und
weltweit Anwendung fand. Ohne diese Erfindung von
Tesla, die es erst möglich machte, elektrischen
Strom über viele hunderte von Kilometern zu
übertragen, gäbe es die heutige
Selbstverständlichkeit der Elektrizität mit ihrer
enorm vielseitigen Anwendung nicht. Der Drehstrom
ist ein Wechselstrom mit drei Phasen
(Stromführende Leitungen). Der Begriff Drehstrom
ist aus der Erzeugung abgeleitet. Dabei werden
drei Spulen im 120-Abstand rund um ein sich
drehendes Magnetfeld angeordnet. Dadurch
entstehen drei um 120 phasenverschobene
sinusförmige Wechselspannungen.
Betrachtet man im Diagramm die drei Phasen auf
der Zeitachse zu einem bestimmten Zeitpunkt, so
stellt man fest, dass die Summe der drei
Wechselspannungen an jeder Stelle Null ist (im
Diagramm oben sind die Sinusschwingungen nicht
optimal gezeichnet).
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Ohmsches Gesetz
Der Physiker Georg Simon Ohm hat den Zusammenhang
zwischen Spannung, Strom und Widerstand
festgestellt und nachgewiesen. Nach ihm wurde das
Ohmsche Gesetz benannt.Mit Hilfe des ohmschen
Gesetzes lassen sich die drei Grundgrößen eines
Stromkreises berechnen, wenn mindestens zwei
davon bekannt sind. Die drei Grundgrößen sind
Spannung, Strom und der Widerstand.
Formeln des Ohmschen Gesetzes Das Ohmsche Gesetz
kennt drei Formeln zur Berechnung von Strom,
Widerstand und Spannung. Voraussetzung ist, das
jeweils zwei der Grundgrößen bekannt sind.
 
Liegt an einem Widerstand R die Spannung U, so fließt durch den Widerstand R ein Strom I.
Fließt durch einen Widerstand R ein Strom I, so liegt an ihm eine Spannung U an.
Soll durch einen Widerstand R der Strom I fließen, so muss die Spannung U berechnet werden.
 
 
Praxis-Tipp Das Magische Dreieck Das magische
Dreieck kann als Hilfestellung verwendet werden
um die verschiedenen Formeln des Ohmschen
Gesetzes zu ermitteln.Den Wert, der berechnet
werden soll, wird herausgestrichen. Mit den
beiden übrigen Werten wird das Ergebnis
ausgerechnet.Damit man sich die Reihenfolge der
Werte merken kann, prägt man sich das Wort URI
ein.
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Auswirkung von elektrischen Strom auf den Menschen
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Einfuss und Rettung bei elektrischer
Stromeinwirkung

• Grenzspannung für Menschen 50 V
• Grenzspannung für Tiere 24 V
• Grenzstromstärke 50 mA
• Tötungszeit 0,5 - 1,0 sec
• Muskellähmung Kammerflimmern Tod
• Rettung
• Stromkreis unterbreche
• Herausschalten oder Herausreißen aus dem
  Stromkreis
• Kopfzurücknahme, Beatmung (in der ersten Minute!)
• Herzmassage ( in den ersten Minuten) -gt Notruf

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Schutzeinrichtungen

• Leitungs- und Motorschutz
• 1. Sicherungen
• a) Schmelzsicherungen
• Silberdraht schmilzt bei Übersteigen der
  Amperezahl nicht flicken!
• U.a. gibt das Kennfarbblättchen Auskunft über die
  Stärke der Sicherung
• Es gibt flinke und träge Sicherungen
• b) Leitunsschutzschalter
• Über Magnetspule und Bimetall wird abgeschaltet
  wiederverwendbar
• Überlastungsarten
• Kurzschluss
• Zu starke Geräte
• Zu viele Geräte
• 2. Motorschutzschalter
• Schützt Motoren vor Überlastung schalter ab.
• Wann ist der Motorschutzschalter vorgeschrieben?
• Bei unbeaufsichtigte Geräte (Mühlen, Pumpen usw.)
• Bei automatisch geschalteten Motoren

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Schutzarten

• Schutzisolierung
• Zusatzlich zur Betriesisollierung bei
  Bohrmaschinen, Haushaltsgeräten,
• Isolierelemente verhindern Stromkontakt durch
  Mensch und Tier.
• Bei Geräten immer auch das Sicherheitszeichen
  (ÖVE-Zeichen) beachten!
• Symbol für Schutzisolierte Geräte
• Kleinspannung
• Durch einen Trafo wird die Spannung auf
  ungefährliche Bereiche reduziert
• Anwendung Spielzeug,
• Schutztrennung
• Durch einen Trenntrafo wird die leitungsmäßige
  Trennung vom Netz durch geführt
• Anwendung Rasiersteckdose
• Fehlerstromschtzschahter (FI-Schalter)
• Er schützt vor Fehlerstrom auf Gehäusen von
  geerdeten Geräten.
• Meist werden FI-Schalter verwendet, die bei
  Fehlerströmen von 30 mA abschalten.
• Schutzerdung
• Der Erdleiter ist gelbgrün gefärbt, bei
  Altinstallationen rote Kabel möglich.
• Fundamenterder
• Verzinkter Band- oder Rundstahl, der beim Bau des
  Hauses im Betonfundament mit verlegt wird. In ihm
  enden Erdungen und Blitzableiter.
• Potentialausgleich und Potentialsteuerung

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Fehlerquellen

• Sichtbare Fehler, die durch den Laien erkennbar
  sind (Schalter ohne Deckel, Stecker gebrochen,
  blanke Kabel,) müssen sofort von einem Fachmann
  repariert werden.
• Geräte und Anlagengehäuse stehen unter Strom
• Vor diesen Fehlern schützen die Schützmassnahmen.
• Daher
• Vor Arbeiten an einer elektrischen Anlage oder
  Gerät unbedingt Strom abschalten und mit
  geeigneten Geräten nachprüfen, ob noch Spannung
  an den Leitungen oder am Gerät vorhanden ist!

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Vorzeichen Technischer Einheiten
Diese Vorzeichen werden zum vereinfachten
Ausdrücken von Potenzen verwendet.z. B. 1kg 1
Kilogramm 1000g 13g Die Nachfolgende Tabelle
erläutern alle gebräuchlichen Vorzeichen
Vorzeichen Symbol Zahl multiplizieren mit Zehnerpotenz
yokto y 0,000 000 000 000 000 000 000 001 10-24
zepto z 0,000 000 000 000 000 000 001 10-21
atto a 0,000 000 000 000 000 001 10-18
femto f 0,000 000 000 000 001 10-15
piko p 0,000 000 000 001 10-12
nano n 0,000 000 001 10-9
mikro µ 0,000 001 10-6
milli m 0,001 10-3
centi c 0,01 10-2
dezi d 0,1 10-1
-/- -/- 1 100
deka da 10 101
hekto h 100 102
kilo k 1 000 103
Mega M 1 000 000 106
Giga G 1 000 000 000 109
Tera T 1 000 000 000 000 1012
Peta P 1 000 000 000 000 000 1015
Exa E 1 000 000 000 000 000 000 1018
Zetta Z 1 000 000 000 000 000 000 000 1021
Yotta Y 1 000 000 000 000 000 000 000 000 1024