HFP Elektrotechnik

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.

Bei konstantem Gleichstrom wird in der Spule Energie in Form eines Magnetfeldes gespeichert. Weil sich der Strom aber nicht ändert hat die Induktivität der Spule keine Wirkung, so dass nur der ohmsche Widerstand des Spulendrahtes den Strom begrenzt. Bei Wechselstrom hingegen bewirkt die Induktivität der Spule eine Gegenspannung, oder anders ausgedrückt der Widerstand der Spule

Jeder Stromdurchflossener Leiter wird von einem Magnetfeld umgeben. Ein Magnetfeld wiederum ist aufgrund seiner Kraftwirkung in der Lage, freie Ladungen in einem elektrischen Leiter zu trennen und dadurch Spannung zu induzieren.

Ein stromdurchflossener Leiter wird von einem konzentrischen Magnetfeld umgeben. Wenn nun dieser Leiter von einem zusätzlichen äusseren Magnetfeld umhüllt wird, addieren sich auf der einen Seite die beiden Felder und auf der anderen Seite heben sie sich teilweise auf. Das resultierende Gesamtfeld ist die Überlagerung dieser beiden Teilfelder. Aufgrund der einseitigen Magnetfeldschwächung wird der stromdurchflossene Leiter aus dem Magnetfeld hinausgedrängt. Die Grösse der Ablenkkraft ist abhängig von der Feldliniendichte und vom Strom im Leiter sowie von der wirksamen Leiterläng im Magnetfeld.

Wenn sie eine Wechselgrösse in bestimmten Zeitabständen wiederholt, so nennt man diese Zeitabstände Periodendauer (T). Die Periodendauer ist also die Zeit, die zum Durchlaufen einer Periode dieser Wechselgrösse notwendig ist. Der Reziproke Wert 1/T gibt an, wie viele Perioden in einer Zeiteinheit durchlaufen werden. Dieser Reziproke Wert heisst Frequenz. Bei Sinuskurven entspricht der komplette Umlauf eines Zeigers im Zeigerdiagramm einer Periode, also dem Winkel 360° oder als Bogenmass 2π. Das Verhältnis dieses Vollwinkels 2π zur Periodendauer T heisst deshalb Winkelgeschwindigkeit oder Kreisfrequenz und gibt ebenfalls an, wie viel Perioden innerhalb einer Zeiteinheit durchlaufen werden.

Die Induktivität bestimmter Verbraucher kann durch Zuschalten einer Kapazität in ihrer Wirkung nach aussen hin teilweise oder ganz aufgehoben, das heisst kompensiert, werden. Diese Kapazitäten können dabei in Serie oder parallel zu den Verbraucher angeordnet werden. Üblicherweise bevorzugt man die Parallelschaltung, weil dadurch alle Elemente mit derselben Spannung betrieben werden. Bei der Serienschaltung addiert sich die Spannung am Verbraucher und die Spannung am Kompensationskondensator zur Nennspannung. D.h. der Kompensationskondensator muss auf jeden einzelnen Verbraucher abgestimmt sein und den Verbrauchern steht nicht mehr die volle Netzspannung zur Verfügung.

Jeder stromdurchflossener Leiter wird von einem konzentrischen Magnetfeld umgeben. Die Magnetfelder zweier stromdurchflossener Leiter ziehen sich an oder stossen sich ab, je nach Richtung des Stromflusses.

Der magnetische Fluss und die Durchflutung sind das Mass für die Stärke des magnetischen Feldes. Beide Grössen sind über den magnetischen Widerstand direktproportional miteinander verknüpft. Die Durchflutung ist das Mass für die bewegten elektrischen Ladungen, die zur Magnetfeldbildung beitragen. Der magnetische Fluss kennzeichnet die Gesamtwirkung des magnetischen Feldes.

Das Lenzsche Gesetz besagt, dass jede Wirkung der Ursache entgegengesetzt ist. Das bedeutet, dass bei einem Generator bei zunehmender Belastung, also steigendem Strom eine immer grössere Kraft benötigt wird um die Drehbewegungen des Generators aufrechtzuhalten.

Wechselspannungen lassen sich einfach auf höhere oder kleinere Werte transformieren. Dadurch können die Übertragungsverluste minimiert werden.

Ein Dreiphasen-Wechselstromsystem ist aus drei Wechselspannungen gleicher Frequenz und Amplitude, die gegeneinander um 120° verschoben sind, aufgebaut. Diese drei unabhängigen Stromsysteme benötigen für den Energietransort immer einen Hin- und Rückleitungen also insgesamt sechs Leitungen. Man kann auf die Rückleitungen dieser drei Einzelsysteme verzichten, wenn man die drei Einzelsysteme entsprechend zusammenschaltet. Diese Zusammenschaltung nennt man Verkettung und das Resultat sind verkettete Dreiphasen-Systeme. Üblich sind die Sternschaltung und die Dreiecksschaltung. Bei der Sternschaltung entsprechen die Leierströme den Phasenströmen und die Leiterspannung ergibt sich aus der vektoriellen Addition der Phasenspannungen. Bei der Dreiecksschaltung entsprechen die Leiterspannungen den Phasenspannungen, und die Leiterströme sind die vektorielle Summe der Phasenströme.

Bei bestimmten Netzkonfigurationen, d.h. bei Zusammenschaltungen von Freileitungen und Kabelleitungen können sich die Kapazitäten und Impedanzen dieser Leitungen derart ergänzen, dass Schwingreise entstehen, und dadurch für bestimmte Frequenzen Spannungsüberhöhungen auftreten können. Dies kann unangenehme Folgen haben, wenn diese Resonanzfrequenz z.B. einer Tonfrequenz für Netzkommandosteuerung entspricht. Die genannten Spannungsüberhöhungen für diese Tonfrequenz können durch Saugdrosseln wieder auf normale Werte verkleinert werden. Diese Saugdrosseln müssen dem Einsatzort entsprechend individuell angepasst werden.

Als Leistungsfaktor wird der Cosinus φ des Winkels zwischen Wirklaistung und schenleistung des Leistungsdreiecks aus Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung gezeichnet. Der Winkel φ ist direkt proportional zur Grösse der Blindleistung. Ein kleiner Leistungsfaktor bedeuten demnach eine im Verhältnis zur Wirkleistung grosse Blindleistung, und ein grosser Cosinus φ bedeutet eine verhältnismässig kleine Blindleistung.

Als Blindleistung bezeichnet man diejenige Leistung, die bei einem Verbraucher nicht in mechanische Energie oder Wärme umgesetzt werden kann. Dieser Leistungsanteil dient zum Aufbau vom magnetischen und elektrischen Feldern. Die Blindleistung wird also von kapazitiven oder induktiven Verbrauchern benötigt. Weil sie jedoch nach aussen hin keine Wirkung zeigt, wird sie als Blindleistung bezeichnet.

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. 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. Bei Wechselstrom bedeutet das, dass am Kondensator ständig Ladung aufgebaut wird. Der Blindwiderstand des Kondensators ist frequenzabhängig. Je höher die Frequenz desto kleiner der Widerstand.

Die Ursachen des magnetischen Feldes beruhen auf der magnetischen Wirkung von bewegten elektrischen Ladungen, also Stromfluss. Bei Naturmagneten ist dies die Eigenbewegung der Elektronen im atomaren Verband, und bei fliessenden Strömen die Bewegung der freien Ladungsträger. Die primäre Wirkung des magnetischen Feldes ist eine Kraftwirkung. Diese Kraftwirkung wirkt direkt auf andere Körper, oder ist im Stande im Inneren von elektrischen Leitern Ladungen zu trennen und so elektrische Spannung zu induzieren.

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.