HFP Elektrotechnik

Das ohmsche Gesetz des magnetischen Kreises besagt, dass die Grösse des magnetischen Flusses abhängig ist vom magnetischen Widerstand und der Durchflutung.
Die Durchflutung () ist das Mass für die Grösse des Stromflusses, der zur Magnetflussbindung beiträgt. Der magnetisch e Leitwert ( Lambda) kennzeichnet die Güte des magnetischen Materials. Und das Produkt dieser beiden Grössen bestimmt die Grösse des magnetischen Flusses, also der magnetischen Wirkung.

Wird bei einem Magnetkreis der Spulenstrom abgeschaltet, so wird zwar die Durchflutung =0, aber der magnetische Fluss sinkt nicht auf seinen Ursprungswert =0 zurück. Es bleibt ein Restmagnetismus vorhanden, weil sich nicht alle Elementarmagnete wieder in ihre Ursprungslage zurückversetzen. Dieser Restmagnetismus wird Remanenz genannt. Die Remanenz wird dazu benutzt um Dauermagneten herzustellen. Will man die Remanenz beseitigen braucht es einen gewisse magnetische Feldstärke in der entgegengesetzten Richtung die sogenannte Koerzitivfeldstärke. Wird ein Magnetkreis mit Wechselstrom betrieben so müssen sich die Elementarmagneten im Takt der Stromfrequenz umpolen. Die Magnetisierungskurve geht dabei nie mehr durch den Ursprung sondern durch die Remanenz Punkte. Die Fläche die von dieser Magnetisierungskurve gebildet wird ist ein Mass für die Magnetisierungsverluste und wird Hysteresis Kurve genannt. Diese Verluste entsprechen dem Energieaufwand für das ständige Umpolen der Elementarmagneten.

Als Kapazität bezeichnet man das Speichervermögen elektrischer Ladung von Bauelementen. Abhängig ist die Kapazität von der Bauform des Elementes, d.h. von der Fläche der Ladungsplatten und dem Abstand dieser Platten sowie dem Dielektrikum, das sich zwischen diesen Platten befindet. Die Einheit der Kapazität wird in Amperesekunden pro Volt angegeben. Eine Amperesekunde pro Volt entspricht einem Farad.

Die Ladezeit eines Kondensators ist abhängig von der Grösse des Kondensators, also der Kapazität, und dem Ladestrom, d.h. dem Widerstand im Stromkreis. Das Produkt aus Widerstand und Kapazität heisst Zeitkonstante T. Mit steigendem Widerstand sinkt der Ladestrom und eine grössere Kapazität benötigt eine grössere Ladungsmenge zum Erreichen der Speisespannung.

Im Wesentlichen unterscheidet man Wirk- und Blindwiderstände. Der Wirkwiderstand ist der ohmsche Widerstand des Stromkreises. Die frequenzabhängigen Blindwiderstände sind entweder induktiv oder kapazitive Blindwiderstände. Die geometrischen Summe aus Wirk- und Blindwiderstand bildet den Scheinwiderstand Z und somit analog zu Strom und Spannung auch ein Widerstandsdreieck.

Der Scheinwiderstand ist die geometrische Summe aus Wirk- und Blindwiderstand. Da die kapazitiven und induktiven Blindwiderstände frequenzabhängig sind, muss der Scheinwiderstand zwangsläufig auch frequenzabhängig sein.

Elektrisch geladene Körper üben aufeinander Kräfte aus.
Zwischen allen Leitern, die eine Spannung gegeneinander aufweisen, besteht ein elektrisches Feld. Fliesst dabei kein Strom, so spricht man von einem elektrostatischen Feld.

Gibt an wie sich das gewählte Material beim Leiten des elektrischen Stromes verhält im Verhältnis zum Vakuum. Wie gut ein Material leitet.

Wird ein Kondensator an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen Fliesst so lange ein Strom in den Kondensator bis sich an den Platte des Kondensators eine so grosse Ladungsmenge angesammelt hat, dass sich die daraus resultierende Spannung der Quellspannung entspricht. Die Grösse des Ladestromes ist abhängig von der Differenz der Spannung des Kondensators zur Quellspannung. Der Strom fliesst nur so lange bis sich die Spannung am Kondensator aufgebaut hat. Danach wirkt der Kondensator bei Gleichspannung als Sperrglied. Jede Spannungsänderung hat wieder einen Stromfluss zur Folge. Der Strom fliesst so lange bis sich die Quellenspannung nicht mehr ändert und die Kondensatorspannung betragsmässig wieder gleich der Quellenspannung ist. Der Widerstand R begrenzt den Ladestrom. Wird zum Zeitpunkt t=0 der Stromkreis geschlossen, so ist die gesamte Spannung nur über dem Widerstand messbar. Bei t=0 hat der Kondensator noch keine Ladung und seine Spannung beträgt somit 0 V. Je mehr Ladung transportiert wird, desto mehr nimmt die Spannung am Kondensator zu. Gleichermaßen verringert sich die Spannung am Widerstand und nach dem ohmschen Gesetz nimmt der Strom in der Reihenschaltung ab. Ist die Spannung am Widerstand auf den halben Anfangswert gesunken, so ist auch der Ladestrom nur noch halb so groß.

Der magnetische Fluss kennzeichnet die Gesamtleistung des magnetischen Feldes oder seiner Kraftlinien. Der magnetische Fluss ist eine Definitionsgrösse. Die Flussdichte auch Induktion genannt, ist der magnetische Fluss bezogen auf den Querschnitt des Magnetkreises. Die Durchflutung ist das Mass für die bewegten, elektrischen Ladungen also den Stromfluss, die zur Magnetfeldbildung beitragen. Die Durchflutung bestimmt den magnetischen Fluss.

Wird ein ferromagnetischer Körper magnetisiert, so steigen die magnetischen Kräfte zunächst proportional zur Stärke des magnetisierenden Feldes an. Irgendwann jedoch wird eine Sättigung erreicht und die magnetischen Kräfte steigen kaum noch. Dieser Effekt wird magnetische Sättigung genannt und ist der Grund für die begrenzte Stärke von Permanentmagneten. Wegen der magnetischen Sättigung kann es keine beliebig starken Magnete geben.

Wird nun eine Spule von einem sich ändernden Strom durchflossen, so ändert sich der magnetische Fluss, den die Spule erzeugt. Nun wird diese Spule ja auch von diesem sich ändernden Magnetfeld durchsetzt (welches sie selbst ja fabriziert hat). Da wie bereits gesagt, ein sich änderndes Magnetfeld eine Spannung induziert, so induziert dieses Magnetfeld nun auch eine Spannung in der Spule (welches sie selbst erzeugt). Das nennt man Selbstinduktion.

So, nun ist dieses Magnetfeld aber nicht nur in der Spule zu finden sondern auch ausserhalb. Befindet sich nun eine weitere Spule im Wirkungsbereich des Magnetfeld der ersten Spule, so wird auch in der zweiten Spule eine Spannung induziert. Und das nennt man das Gegeninduktion.

Ein Dreiphasen-Wechselstromsystem, das aus drei Wechselspannungen gleicher Frequenz und Amplitude, die gegenüber um 120° verschoben sind, aufgebaut ist, nennt man Drehstromsystem. Dies ist die Minimal Lösung um ein konstantes Magnetisches Feld aufrecht zu erhalten.

Die Wirkleistung, die in einem elektrischen Verteilnetz umgesetzt wird, ist diejenige Leistung die in Form von Wärme oder mechanischer Leistung bei einem Verbraucher abgegeben wird. Die Blindleistung dient dem Aufbau von magnetischen und elektrischen Feldern. Die Geometrische Summe von Blind- und Wirkleistung nennt man Scheinleistung. Grafisch werden die drei Leistungen im Leistungsdreieck dargestellt.

Mit Leistung wird der Wirkleistungsanteil bezeichnet. Das Produkt aus Strom und Spannung heisst Scheinleistung. Ein induktiver Verbraucher benötigt jedoch auch einen gewissen Anteil Blindleistung zur Erzeugung des magnetischen Feldes. Somit muss die Wirkleistung zwangsläufig kleiner sein als die gesamte Scheinleistung.

In Niederspannung Netzen sind die angeschlossenen Verbraucher nicht gleichmässig auf alle drei Phasen verteilt das heisst die Summe der einzelnen Phasenströme ist nicht gleich Null. Der daraus resultierende Ausgleichsstrom muss über einen Rückleitung (in

Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt aufgrund der Durchflutung einen magnetischen Fluss. Wird dieser Fluss in magnetisch gut leitende Materialien geleitet, so entsteht ein magnetischer Kreis. Der Magnetfluss dieses Kreises kann wider dazu genutzt werden, um elektrische Spannung zu induzieren, oder an einem definierten Luftspalt die Kraftwirkung zu nutzen.

Aufgrund ihrer Induktivität speichert die Spule Energie in Form eines Magnetfeldes. Wird der Strom in der Spule abgeschaltet, so bricht dieses Magnetfeld zusammen und die Energie wird Freigesetzt. Das bedeutet, dass wenn keins Strom mehr fliesst, die Spannung so lange ansteigt, bis durch einen Funkenüberschlag die Magnetfeldenergie abgebaut wird.

In einem Liniendiagram wird der Verlauf einer Wechselgrösse in Abhängigkeit der Zeit graphisch dargestellt. In einem Zeigerdiagramm können nur sinusförmige Wechselgrössen dargestellt werden. Das Zeigerdiagramm ist die zeichnerische Umsetzung eines sinusförmigen Liniendiagrammes in einen Momentan Wert bestehend aus Amplitude und Winkel der Sinuskurve.

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie ist von der angelegten Spannung und der gespeicherten Ladung abhängig. Die im Kondensator gespeicherte Ladung wiederum ist abhängig von der angelegten Spannung und der Kapazität des Kondensators. Somit sind die bestimmenden Grössen für die Energie die angelegte Spannung und die Kapazität des Kondensators.

Wird ein Kondensator en eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, fliesst so lange Strom in den Kondensator, bis sich an den Platten des Kondensators eine grossen Ladungsmenge angesammelt hat, dass daraus resultierende Spannung der Quellspannung entspricht. Die Grösse des Ladestromens ist abhängig von der Differenz der Spannung am Kondensators und der Quelle. Wenn diese Differenz gross ist. Wird ein grosser Strom fliessen, und je mehr sich die Kondensatorspannung der Quellspannung annähert, wird der Strom immer kleiner. Der kurvenverlauf des Stromes entspricht einer Exponentialfunktion.

Die Induktivität der Zündspule speichert Energie in Form eines Magnetfeldes. Der Unterbrecherkontakt unterbricht den Stromfluss in der Spule. Dadurch wird die gespeicherte Energie freigesetzt. Weil der Stromfluss unterbrochen ist, steigt die Spannung so lange an, bis an den Zündkerzen die Durchschlagspannung erreicht ist und sich die Energie über diese Funkenstrecken abbauen kann.

Koronaverluste sind Glimmentladungen an Hochspannungsfreileitungen, bei denen derart hohe Feldstärken auftreten, dass Luftmoleküle um den Leiter ionisiert werden. Dieser Koronaerscheinungen sind abhängig von der Leitfähigkeit der Luft (Luftfeuchtigkeit und Temperatur), von der Betriebsspannung der Leitung und der Geometrie der Leiteranordnung.

Ein elektrisches Strömungsfeld nennt man den Stromfluss in leitenden Materialien. Es veranschaulicht, wie sich der Strom im leitenden Material verteilt. Bei einem Blitzschlag z.B. ist die Dichte des Strömungsfeldes bei der Einschlagstelle sehr gross und nimmt mit steigendem Abstand zur Einschlagstelle sehr schnell ab. Entsprechend der Stromverteilung im Boden.

Die Zeizkonstanten ist das Produkt aus Widerstand und Kapazität eines Stromkreises. Die Zeitkonstatnte T bestimmt, wie schnell sich Strom und Spannung in einer Schaltung ändern können d.h. mit steigendem Widerstand sinkt der Ladestrom und eine grössere Kapazität benötigt eine grössere Ladungsmenge zum Erreichen der Speisespannung.

Induktivitäten treten überall auf, wo elektrischer Strom fliesst. Spulen können aufgrund ihrer grossen induktivität elektrische Energie in Form eines Magnetfeldes speichern. Die Kraftwirkung dieser Magnetfelder kann genutzt werden.

Fliesst ein Wechselstrom durch eine Spule, dann induziert das von der Spule erzeugte sich wechselnde Magnetfeld in der Spule selber wieder  eine Spannung. Dieser Vorgang heisst Selbsinduktion. Die Selbsinduktionsspannung ist der angelegten Spannung de Spule entgegengerichtet. Die Grösse der Selbsinduktionsspannung ist vom Aufbau der Spule abhängig. Diese Abhängigkeit heisst Induktivität. Die Induktivität induziert bei einer Stromänderung eine Gegenspannung, die der Stromänderung entgegenwirkt, um so den Energiezustand des magnetischen Feldes zu bewahren.

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung. D.h. bei einem kleinen Leistungsfaktor muss neben der Wirkleistung eine sehr grosse Blindleistung über das Verteilnetz transportiert werden. Die so transportierte Blindleistung kann als Energieform nicht direkt genutzt werden, sondern dient nur dem Aufbau von magnetischen und elektrischen Feldern. Die Blindleistung pendelt im Takt der Netzfrequenz wischen Quelle und Verbraucher hin und her und belastet dadurch das Verteilnetz.

Der Strom wird das am grössten sein wo sich die Spannung am schnellsten ändert und ist dort minimal wo die Spannung de kleinste Änderung pro Zeiteinheit aufweist. D.h. im Nulldurchgang der Spannung steigt die diese am stärksten und beim Scheitelpunkt ändert die Spannung für einen Moment nicht. Macht man diese Überlegungen Punkt für Punkt für die ganze Spannungskurve so ergibt sich daraus für den Strom ein sinusförmiger Verlauf, der gegenüber der Spannung um 90° voreilend verschoben ist.