Elemente

Aufbau der Materie
Es gibt verschiedenartigste Erklärungen für den Aufbau unserer Materie.
Eine Erklärung besagt, dass alles aus kleinsten Teilchen (Atomen) aufgebaut ist.
Diese unterschiedlichen kleinsten Teilchen nennt man Elemente.

Zur Erklärung für die Zusammenhänge in einem Atom verwendet man das von Niels Bohr im Jahr 1921 geschaffene und nach ihm benannte Bohrsche Atommodell.

Niels Bohr, dänischer Physiker (1885-1962)

1922 Nobelpreis für Physik

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen.
Die Elektronen bewegen sich in Schalen um den Atomkern.

- Protonen besitzen eine positive elektrische Ladung-
Neutronen sind elektrisch neutral
- Elektronen besitzen eine negative elektrische Ladung

Das Molekül

Mehrere Atome bilden ein Molekül. Aus diesen Molekülen setzen sich die verschiedenen Stoffen zusammen.

H + H + O = H2O
Das Molekül ist das kleinste Teil einer Verbindung. Es besteht mindestens aus 2 Atomen.
Die Summenformel eines Moleküls gibt die Art und Zahl der Atome an, die es enthält.

Z.B. Wasser: H2O (2 H-Atome und 1 O-Atom)

Der elektrische Strom

Je nach Eigenschaft des Atoms sind die äußeren Elektronen mehr oder weniger fest mit dem Atom verbunden.
Bewegliche Elektronen, die keine sehr feste Bindung mit dem Atom haben können verschoben werden und einen elektrischen Strom ergeben.
Anhand dieser Eigenschaften teilt man die Stoffe ein in
- Leiter
- Halbleiter
- Nichtleiter

Strom kann in verschiedenen Medien fließen:
- In metallischen Leitern
- In Flüssigkeiten
- In Gasen
- Im Vakuum

Stromfluss in einem Leiter

Stromfluss in einer Flüssigkeit (Elektrolyt)

Stromfluss in Gasen

Stromfluss im Vakuum

Maße

Vorsilben

Gleichspannung

Gleichspannung hat eine Polarität (+ und -).
Die Höhe der Spannung wird in Volt angegeben.
Der Elektronenfluss (negativ geladene Teilchen) findet von (-) nach (+) statt.
Weil man das bei der Festlegung der Stromrichtung noch nicht wusste hat man als technische Stromrichtung festgelegt:
Der Strom fließt von (+) nach (-).

Wechselspannung

Wechselspannung hat keine Polarität. Die Polarität wechselt laufend periodisch.
Die Höhe der Spannung wird in Volt [V] angegeben.
Die Wechselspannungsfrequenz wird in Hertz [Hz] angegeben.
Da die Spannung laufend ihre Polarität ändert, werden die Anschlüsse mit Phase (L, heißer Anschluss) und Nullleiter (N, Bezugspunkt) bezeichnet.

Drehstrom

Es werden 3 um 120° versetzte Wechselspannungen genutzt.

Drehstrom ist eine 3 phasige Wechselspannung.
Die einzelnen Phasen sind um 120° versetzt.
Die Phasen tragen die Bezeichnung L1, L2, L3 oder R, S, T.
Ein evtl vorhandener 0-Leiter trägt die Bezeichnung N.

Stromerzeugung
Elektrischer Strom ist eine Energieform. Energie kann man nicht erzeugen sondern nur vorhandene Energien umwandeln!

Elektrische Energie

Strom wird durch die Umwandlung von vorhandener Energie in elektrische Energie erzeugt:
Die bekannten Energiearten sind:
- elektrische Energie
- mechanische Energie
- chemische Energie
- Lichtenergie
- Wärmeenergie
- Kernenergie

Gleichstromerzeugung
- Primärelemente

Zink – Kohle – Zelle
In einem Primärelement wird chemische Zersetzungsenergie in Strom umgewandelt.
Das unedle Metall wird dabei zersetzt.
Das Zink-Kohle Element ist ein einfaches Element und liefert eine Spannung von 1,5 Volt.

Trockenelement

Elektrochemische Spannungsreihe

Die elektrochemische Spannungsreihe gibt an, welche Spannung der entsprechende Stoff in einem Primärelement erzeugt.
Die unedlen Metalle haben ein negatives Vorzeichen und werden bei der Stromerzeugung zersetzt.

- Sekundärelemente
Blei Akku

In einem Sekundärelement wird chemische Umwandlungsenergie in Strom umgewandelt.
Man unterscheidet
- Bleiakkumulatoren und - Stahlakkumulatoren
Nickel-Eisen Akkumulatoren
Nickel-Cadmium Akkumulatoren.
Sekundärelemente können wieder geladen werden.

Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle wird Reaktionsenergie in Strom Umgewandelt.
Die Reaktionsgase (z.B. Sauerstoff und Wasserstoff) reagieren mit dem Elektrolyten (z.B. Kalilauge) über poröse Elektroden.
Dabei entsteht an den Elektroden eine Spannung.
Als Abfallprodukt entsteht Wasser.

Solarzelle

In einer Solarzelle wird Lichtenergie in Strom umgewandelt.
Das Fotoelement enthält eine Halbleiterscheibe mit einer Sperrschicht.
Von einer Seite kann Licht eindringen. In dieser Schicht macht das Licht positive und negative Ladungsträger frei, die von den Raumladungen der Sperrschicht auf verschiedene Seiten gezogen werden.

Thermoelement

In einem Thermoelement wird Wärmeenergie in Strom umgewandelt.
Die Verbindungsstelle wird erwärmt. Die Temperaturerhöhung beschleunigt die unregelmäßige Bewegung der Elektronen, die nun vom Kupfer in das Konstantan eindringen können.

Die Thermospannung wird ermittelt, indem der „kalte“ Messpunkt auf 0°C und der „heiße“ Messpunkt auf 100°C gelegt wird.
Thermoelemente verwendet man zur Temperaturmessung.
Abhängig von der zu messenden Temperatur werden die Materialien ausgewählt.

Piezoelement

In einem Piezoelement wird Druckenergie in Strom umgewandelt.

Gleichstromgenerator

Der Generator erzeugt erst einmal eine Wechselspannung.
Diese vom Generator erzeugte Wechselspannung wird mit Hilfe von Wendepolen (Kommutator) in einen welligen Gleichstrom umgewandelt.

Gleichrichtung von Wechselspannung
- Einweggleichrichter

Mit Hilfe eines Gleichrichters kann man Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.
Für die Gleichrichtung benutzt man eine Diode. Die Diode lässt den Strom nur in einer Richtung durch.
Bei der Einweggleichrichtung wird die positive Halbwelle des Wechselstroms durchgelassen und die negative Halbwelle unterdrückt.
Dadurch hat man zwar einen Gleichstrom (Polarität + und -), da der Strom aber pulsiert, ist er für die meisten Anwendungen nicht geeignet.

- Brückengleichrichter

Für den Brückengleichrichter benötigt man 4 Dioden.
Bei der Vollweggleichrichtung werden beide Halbwellen so gerichtet, dass ein Gleichstrom entsteht.
Das ist die normale Gleichrichterschaltung für Wechselstrom.
Für die weitere Verwendung wird die Spannung noch mit Kondensatoren geglättet.

- Brückengleichrichter für Drehstrom

Die Drehstromgleichrichtung bringt das beste Ergebnis.
Da jedoch meist kein Drehstrom zur Verfügung steht, wird diese Lösung nur in besonderen Fällen gewählt.
Einer dieser Fälle ist die Stromversorgung in Flugzeugen.

Den dort verwendete Drehstromgenerator mit eingebauten Halbleitergleichrichtern nennt man Alternator.

Wechselstromerzeugung

Das grundsätzliche Prinzip des Wechselspannungsgenerators ist das gleiche wie beim Gleichspannungsgenerator.
Der Wechselstrom erzeugt eine Wechselspannung, deren Frequenz proportional der Drehzahl des Antriebs ist.
Im Flugzeug werden Generatoren mit 115 Volt Spannung und einer Frequenz von 400 Hz eingesetzt.

Drehstrom Erzeugung

Eine besondere Form des Wechselstroms ist der so genannte Drehstrom.
Beim Drehstrom handelt es sich um 3 Wechselspannungen, die um 120° versetzt (Phasenlage) erzeugt werden.

Jeder Drehstromgenerator verfügt über 3 Spulen, wobei in jeder Spule eine Spannung von 115 V erzeugt wird.
Man hat 2 Möglichkeiten, diese Spulen miteinander zu verschalten:
- Sternschaltung
- Dreiecksschaltung

Sternschaltung

Flugzeugnetz:
Bei der Sternschaltung liegt zwischen den Phasen eine Spannung von 200 V an.
Zwischen den Phasen und N (über den Spulen) liegt jeweils eine Spannung von 115 V an.

Dreieckschaltung

Flugzeugnetz:
Bei der Dreieckschaltung liegt zwischen den Phasen eine Spannung von 115 V an.
Einen Nullleiter (N) gibt es bei der Dreieckschaltung nicht!

Der Alternator

Spannung – Strom - Widerstand

Die elektrische Spannung ist die treibende Kraft in einem elektrischen Stromkreis.
Die elektrische Spannung treibt den elektrischen Strom.
Der elektrische Widerstand wirkt der Spannung entgegen und muss von ihr überwunden werden.
Der Strom fließt abhängig von Spannung und Widerstand:
- Hohe Spannung → hoher Strom
- Hoher Widerstand → niedriger Strom

Der elektrische Stromkreis

Die von der Trockenzelle erzeugte Spannung treibt einen Strom durch die Birne.
Der Stromkreis muss geschlossen sein, damit der Strom fließen kann.
Der Widerstand der Birne begrenzt den fließenden Strom.