Physik Forum

[jkh]

hi,

ich hab ein paar allgemeine Fragen zu Elektrotechnik :

1. Was passiert genau bei Wechselstrom, da es sich ja um eine Sinusfunktion handelt, die bei den U/t, I/t Diagrammen auch in den negativen U bzw. I Bereich geht. Was passiert also genau bei Wechselstrom? (der Strom fließt doch nicht zurück oder)
2.Welche Art von Energie(n) geben die Elektronen an Verbraucher (Haushaltsgeräte...) ab? Handelt es sich um Bewegungsenergie, Enerige durch Sprung der Elektronen in niedriegere Elektronenbahnen oder etwas anderes?
3. Was passiert ganz genau in Kondensatoren und Spulen (Enerigespeichern) mit dem elektrischen Strom? Bezug zu den Spannungsgleichungen Kondensator und Spule! Sowie warum gibt es eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und was bedeutet diese?
Beide funktionieren nur mit Wechselstrom--> warum? (siehe 1.)
4. Fließt erzeugter Strom durch Leitung aufgrund des Ladungsausgleiches, d.h. weil die Leitung ja neutral (positiver als Elektronenquelle) ist?


Mir fallen sicher mit der Zeit noch ganz tolle Fragen ein

Danke schon mal für die physikalischen Erklärungen!!!!!!!!!!!!
(Wer die Physik dahinter nicht kennt braucht sich die Formeln auch nicht einzuhämmern)

gruß
jkh

[GvC]

1.
Doch, der Strom fließt während einer Sinus-Halbwelle in die eine Richtung, während der nächsten Halbwelle in die entgegengesetzte. Während dieser Bewegung, egal ob auf dem "Hin"- oder "Rück"weg, wird natürlich auch Arbeit verrichtet.

2.
Das ist wie mit dem Wasser in einem Fluss, an dem ein Wasserrad betrieben wird. Das Rad wird durch die kinetische Energie des Wassers angetrieben, die ihrerseits aber aus potentieller Energie entstanden ist. Energieerhaltungssatz. Ladungstzräger "fallen" von höherem zu niedrigerem Potential, die dabei aufgenommene kinetische Energie wird im Verbraucher in Wärme- oder magnetische oder andere Energieformen umgewandelt.

3.
Die in den Speicherelementen maximal speicherbare Energie wird einmal von der Quelle an das Element geliefert, danach pendelt diese Energie zwischen Quelle und Speicherelement hin und her. Die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bei sinusförmiger Erregung ergibt sich aus der Strom-/Spannungsbeziehung an den Speicherelementen. An der Spule: u = L*di/dt. Wenn i sinusförmig, ist u cosinusförmig, was dasselbe ist wie ein um +pi/2 verschobener Sinus. Am Kondensator: i = C*du/dt entsprechend: hier ist der Strom gegenüber der Spannung um pi/2 voreilend. Da nur der Sinus durch die Projektion einer gleichförmigen Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) dargestellt werden kann, lassen sich eindeutige Phasenverschiebungen (Winkeldifferenzen) nur angeben, wenn eine eindeutige Winkelgeschwindigkeit als Bezugsgröße vorhanden ist. In jedem Fall, also auch bei nicht sinusförmiger Erregung, gelten die o.g. Beziehungen zwischen Strom und Spannung. Allerdings lässt sich kein Verschiebungswinkel mehr angeben, da Strom und/oder Spannung keiner Winkelfunktion mehr gehorcht.

4.
Die Vorstellung, dass bei Stromfluss zusätzliche Ladungsträger zur Verfügumg gestellt würden, ist abwegig. Es werden nur die ohnehin vorhandenen quasi-freien Ladungsträger durch die Quelle "herumgepumpt".

[Dr.Dr.Med. URI]

Sehr geehrte Router Gemeinde,



nach langjähriger Recherche bin ich auf Herr U=R*I gestoßen, von ihm habe ich erfahren, dass die Neue Bezeichnung der Wlan Kabel nach ISO/IEC-11801 (2002)E: U/FTP lautet, dadurch ergibt sich die Leistung, dass die Wirkleistungsanteile um 180° Phasenverschiebung entstanden sind.

Ich habe diese Formel benutzt:.


Anhand meines Fallbeispieles ist deutlich zu erkennen, dass in der Steckdose leben ist.
Hier der Beweis:




Wie Sie sehen können ist der Utopische Widerstand 3.0, hierzu habe ich eine Dreifache Überdimensionale Super Schaltung skizziert, so wie Sie erkennen können
Die Dioden sind mit den Widerständen durch Dev Pascal gekoppelt, d.h. die Zeitspanne während der die Elektrische Arbeit verrichtet wird ist gleich der Delta genormten Magnetischen Multiplikatordivisionsfaktoren (unabhängig.)

Ich hoffe geholfen zu haben.Falls es noch offene Fragen gibt, helfe ich gerne.

Mit freundlichen Grüßen

Dr.Dr.Med. URI

[Dr.Dr.Med. URI]

/\
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l
Entschuldigen Sie, das sollte eigentlich in den Spaß Bereich, kann also gelöscht werden sorry!

[Fritz]

Hallo

Erstmal vielen Dank für die sehr erhellendenden Erläuterungen von Dr. Dr. Med. URI

Zu Punkt 2 wollte ich noch etwas beitragen:

Die Energie, die zum Verbraucher geliefert wird, wird nicht durch die kinetische Energie der Elektronen übertragen, sondern durch das Elektrische Feld. Wahrscheinlich hat GvC eh das Richtige gemeint. Handelt es sich um einen ohmschen Verbraucher, so nehmen die Elektronen im Verbaucher, durch den dort herrschenden Spannungsabfall natürlich zusätzlich zur termischen Bewegung ein kinetische Energie auf, die aber rasch wieder an die Atomrümpfe, des Widerstandes abgegeben werden, was wiederum zu Gitterschwingungen führt, der Widerstand wird also warm.

(Die Temperatur eines Mediums 'entspricht' der durchschnittlichen kinetischen Energie seiner Moleküle!)

mfg Fritz

[jkh]

hi,

@ Fritz & GvC (& Dr.... LOL):

Die Energie die zum Verbraucher geliefert wird ist doch schon in Form von fließenden Elektronen.
Wie wird denn dann die Energie dieser Elektronen (mit dem Elektronenstrom I) auf die Elektronen im Verbraucher übertragen??????

Der Spannungsabfall ist ja praktisch der Energieverlust des fließenden Stroms beim anliegenden Widerstand. ist das richtig?
beim ohmschen widerstand U=R*I würde das auch heißen, dass umso mehr energie (spannung) benötigt wird den widerstand zu "überwinden" umso höher der strom ist (da R konstant) oder?

Also ich bin mir ummer noch unsicher was da ganz genau passiert zudem elektronen ja auch eine sehr geringe masse haben und daher der zusammenstoß mit anderen elektronen doch eher unwahrscheinlich ist.

Außerdem hätte ich noch ein paar weiter darauf eingehende fragen bezüglichden antworten von GvC:

zu1.
ok der strom fließt hin und zurück, also fließt er in den verbraucher rein und auch wieder "raus" und gibt bei beiden bewegungen kin. energie auf ein bauelement, welches diese aufnehmen kann, ab. wie heißen denn die bauteile welche diese energie aufnehmen und wie funktionieren sie?
zu2.
wenn die elektronen in ein niedrigeres potential fallen, verlieren sie ja an bewegungsenergie, welche sie abgeben. aber was passiert dann genau mit den elektronen wenn sie die energie abgegeben haben?(ist ja bei gleich- als auch bei wechselstrom so) ---> vgl. reihenschaltung aus ohmschen widerständen U=R*I
zu3.
Spule : ok die Spannung u ergibt sich aus L* di/dt ( L=dΦ/di), d.h. mit der Stromänderung entsteht eine Induktivität (Magnetfeld), welche der Stromrichtung entgegen wirkt (siehe wikipedia). aus diesem entgegenwirkenden magnetfeld L multipliziert mit di/dt (Elektronenbeschleunigung??????) ergibt sich die spannung.
Kondensator: i = C *du/dt (C= U/Q , C= A/d *Dieelektrizitätszahlen)
----> mir fehlt immer noch die physikalische erklärung was genau mit den elektronen passiert! einerseites fließen sie durch die energiespeicher hin und her (Laden und entladen), aber was passiert mit ihnen?

zum wechselstrom:
betrachtet man hier aber dann reihenschaltungen wie tiefpass oder hochpass (frequenzfilter) wie würde dann die reihenfolge der schaltung bei wechselstrom denn überhaupt noch eine rolle spielen da sie ja eh hin- und herfließen ????? siehe --->

http://de.wikipedia.org/wiki/Tiefpass
vergleiche
http://de.wikipedia.org/wiki/Hochpass

bei der spule wirkt ein magnetfeld, welches durch die stromänderung (beschleunigung) selbst entsteht dem strom entgegen --> müsste das dann nicht bei jedem leiter der fall sein zumindest beim einschalten des stroms und wie wirkt das magnetfeld denn dem strom entgegen, d.h. wie wirkt das magnetfeld auf den stromfluss????
auch habe ich probleme mit dem begriff spannung: spannung ist eine potentialdifferenz zwischen zwei stellen. wenn man die ohmsche gleichung (R=konst.) U=R*I nimmt, bedeutet das ja offensichtlich das an jedem widerstand eine spannung anliegt, für mich also das energie abgegeben wird und der strom danach mit weniger energie (spannung) weiter fließt. da R ja konst. würde dies auch bedeuten das um so höher der strom umso mehr energie (spannung) wird benötigt um den wiederstand zu "überwinden" bzw. wird am widerstand abgegeben.
sind meine annahmen richtig?
zu4. die Quelle "pumpt" also die elektronen hin und her. wie funktioniert das denn genau bei einem stromnetz in dem ja dei verbraucher gegen unendlich gehen und von der hauptleitung einfach abzweigen? der strom müsste doch auch aus den verbrauchern raus fließen --- geht dieser wechsel so schnell das das gerät trotzdem die ganze zeit läuft? und was passiert mti den elektronen die ihre energie abgegeben haben (siehe 2)

danke für die antworten. hat mir schon sehr weitergeholfen. vielleicht können sie mir ja zu den restlichen fragen auch etwas beantworten.

LG
jkh

[Fritz]

Hallo

Das sind ja sehr viele Fragen auf einmal. Aber vielleicht lassen sich einige davon auf einmal auflösen.

Im Prinzip stimmt das schon was du geschrieben hast. Die Spannung ist im Prinzip die Energie die jedes Elektron mit sich trägt. Aber eben pro Elektron! Die gesammte Energie ergibt sich dann aus der Spannung mal der Anzahl der Elektronen. Eine andere Enheit der Energie ist ja auch das 'Elektronenvolt'.

In einem Stromkreis gibt es nicht 'die Elektronen der Leitung' und 'die Elektronen des Verbrauchers'. Alle Elektronen gemeinsam strömen in eine Richtung und ergeben damit den Strom. (Ein Elektron hat kein Mascherl

Da jedes Elektron eine negative Ladung trägt werden alle Elektronen versuchen ihre benachbarten Elektronen 'weg zu schieben'. In einem gut leitfähigem Metall braucht es dafür beinahe keine Energie, wenn eine Quelle vorne 3 Elektronen rein schiebt, kommen hinten wieder 3 (andere) Elektronen raus.

Und wie schon gesagt, mit kinetischer Enerige hat das Ganze nichts zu tun. Es 'stößt' nicht ein Elektron auf das andere und treibt es weiter, sondern die Elektronen werden lediglich durch das Elektrische Feld weiter gereicht. Ohne Elektrisches Feld geht es eben nicht, sonst bräuchte man keine Elektrotechnik wenn man mit der Mechanik auskäme.
(Tatsächlich ist ein Elektron ja auch nicht viel mehr als eben eine Ladung, es hat keine wirkliche räumliche Ausdehnung. Ein Elektron ist kein kleines blaues Kügelchen. Stoßen 2 freie Elektronen zusammen, so ist das nicht als ob 2 Billardkugeln zusammenstoßen, sondern jedes Elektron baut um sich herum ein E-Feld auf, wodurch das jeweils andere hyperbelförmig von seine Bahn abgelenkt wird)

[jkh]

hi,

Super danke für die Erklärungen. einige fragen hab ich aber trotzdem wieder .

die elektronen fließen also durch das elektrische feld, welches ja durch den ladungsunterschied an der quelle bedingt ist.
aber was bedeutet nun die sache mit dem potential? :
fließt das elektron also während seiner bewegung an atomen vorbei (was ja durchgehend passiert), dann beginnen diese zu schwingen. Fragen: warum fangen diese an zu schwingen (ladungsausgleich)? gibt hier das elektron energie ab und fällt in ein niedrigeres potential? warum wird es beim fall in ein niedrigeres potential schneller? ---> der strom I ist doch konstant und ich dachte eigentlich beim fall in niedrigere potentiale müsste das elektron irgendwann einmal wieder an die elektronenhülle gebunden werden!!!!!!!!! wie wird die elektrische energie auf verbraucher übertragen (wärme ist ja nicht immer der gewünschte effekt ---> siehe mixer, staubsauger etc.)?

zum wechselstrom:

ok anscheinend scheint es hier komplizierter zu werden. doch würd ich gerne wissen wie es zu Phasenverschiebung zwischen U und I bei Kondensatoren/Spulen kommt?


gruß
jkh

[Fritz]

Hallo

Mit Potential meinte ich das Potential des elektrischen Feldes. (Das E-Feld ist das Gradientenfeld des Potentials, auch wenn dir das jetzt vllt. nicht viel sagt.) Das hat nichts mit dem Energiepotential von gebundenen Elektronen im Atom zu tun!

Ein Atom besteht ja aus einem Kern und einer Elektronenhülle, in der die Elektronen irgendwie rundherum flitzen. In einem Metallgitter haben sich nun viele Atome zu einer räumlichen Struktur zusammengefunden, dabei werden die äußersten Elektronen frei und können sich im gesammten Gitter frei bewegen.

Bei den Elektronen die den Strom führen handelt es sich um diese freien Elektronen und nicht um Elektronen aus den Atomhüllen.

Was du meinst ist vermutlich das man Atome oder deren Elektronenhülle anregen kann, so dass Elektronen aus der Hülle in eine höhere Schale (ein höheres Energiepotential) springen und dann wieder zurückfallen, wobei sie Licht emitieren.

Das hat aber nichts mit dem elektrischen Potential zu tun, bei der normalen Stromleitung werden keine Atome angeregt.

Wie wird nun elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt? Da gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Chemisch, in Akkus
Magnetisch, in Elektomotoren

Es gibt aber auch Motoren, die ohne Magnetfeld auskommen und direkt die Kraft des E-Feldes nutzen.

Am häufigsten sind aber Motoren, die die Lorentzkraft nützen, eben Elektromotoren. Bewegt sich eine Ladung durch ein Magnetfeld, so wirkt auf sie eine Kraft.


Wie kommt es zur Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung an reaktiven Bauteilen?

Am besten fangen wir mit dem Kodensator an:

Die wesentliche Eigenschaft eines Kondensator ist seine Kapazität, die das Verhältnis aus gespeicherter Ladung und Spannung angiebt

Q=C*U

Nun ist aber die Ladung Q ja das zeitliche Integral des fließenden Stromes, oder anders ausgedrückt:

Der Strom ist die zeitliche Änderung der Ladung. (Das ist nicht sehr kompliziert, wenn man einen Behälter mit Wasser hat und eine Sekunde später um so und so viel Liter mehr drin sein, kann man sagen, dass so und so viele Liter pro Sekunde hineinfleißen, wenn man den Zeitschritt nur genügend klein wählt.) Oder mathematisch ausgedrückt:

I(t)=dQ/dt

und wenn man dann noch obige Gleichung einsetzt hat man schon die Hauptgleichung des Kondensators:

I(t)=C*dU(t)/dt (C sei hier jetzt mal zeitlich konstant)

Wenn U nun Sinusförmig ist zb.

U(t)=Us*sin(ω*t)

dann ergibt sich:

I(t)=C*Us*ω*cos(ω*t)

Der Strom ist also auch sinusförmig, nur um -90° gegenüber der Spannung phasenverschoben.

So ähnlich geht es auch bei der Induktiviät, nur muss man sich da magnetischer Größen bedienen und gelangt analog zu:

U(t)=L*dI(t)/dt

mfg Fritz

[jkh]

hi soweit ich verstehe ist das ganze wie folgt:

für den kondensator gilt: Q=C*U d.h. die ladungen im kondensator steigt mit der spannung, womit einer änderung der ladung eine spannungsänderung "vorausgeht"

für den strom gilt ja einfach: I= Q/t bzw. I(t)= dQ/dt
hieraus folgt für die ladung: dQ=I(t)dt --->die ladungsänderung ist der anliegende strom mal die zeit.

aus dQ=C*dU und dQ=I(t)dt folgt nun:

I(t)=C*dU(t)/dt
bis hier hin haben wir also die ladungsmenge Q über den strom I definiert und dies in die Kondensatorengleichung eingesetzt.

BIS HIER ALLES KLAR

da C konst. brauchen wir nun aber U(t), d.h. die funktion des spannungsverlaufes U in abhängigkeit der zeit (dieser verlauf ist durch den wechselstrom gegeben):
---> U(t)=Us*sin(ω*t)
was genau ist hier Us??????????????
habe versucht das über den sinus herzuleiten und einfach im spannungsdiagramm ein dreieck eingezeichnet: sina = GK/HY
die gegenkathete GK wäre dann U(t) und die hypothenuse HY wäre Us.

nun U(t)=Us*sin(ω*t) in I(t)=C*dU(t)/dt gibt:

I(t)= C* (Us*sin(ω*t)/dt) ---> I(t)=C*Us*ω*cos(ω*t) dies würde bedeuten der strom ergibt sich aus C mal spannungsänderung mit der zeit (C*dU(t)/dt) ---> hier kann ich die ganze bedeutung nicht erfassen!!!! mir ist klar die differenz zwischen strom und spannung ergibt sich dadurch das C mit der SPANNUNGSÄNDERUNG MIT DER ZEIT multipliziert wird. mathematisch wird aus dem sinus der cosinus durch ableitung aber physikalisch?????
aus dem U/t,I/t diagrammen habe ich nun entnommen das physikalisch betrachtet der strom einfach vorher in die andere richtung fließt bevor die spannung "umgepolt" ist, d.h. in die andere richtung wirkt. dies bedeutet doch das mit abnahme der spannung einfach schon ein ladungsausgleich stattfindet (stromfluss) bevor die spannung dann irgendwann in die andere richtung wirkt, d.h. am anderen pol ein elektronenüberschuss ist. hoffe man konnte noch folgen.Grund ist also demnach einfach ein ladungsausgleich vor umpolung aufgrund fallender spannung........ hoff ich ma



zum potential des elektrischen feldes :

aus wiki:

Ein Gradientenfeld ist ein Vektorfeld, das der Gradient einer „Stammfunktion“ sein kann. Das Vektorfeld F ist also genau dann ein Gradientenfeld, wenn es ein Skalarfeld G gibt mit F = nabla G. Dann heißt G Potential.

---> vereinfacht würde dies doch bedeuten F ist die Ableitung von G nach betimmten koordinaten.

das e-feld wäre doch dann hier das vektorfeld (kraftfeld) also gradientenfeld F. wenn F das e-feld wäre wäre G also seine Stammfunktion ein bestimmtes skalarfeld. was ist G???????? wahrscheinlich die Größe (Feld) aus dem das e- feld resultiert (spannung vielleicht).

gruß
jkh

[Fritz]

Hallo

zum Kondensator:

U(t)=Us*sin(ω*t)

Diese Gleichung bringt lediglich zum Ausruck, dass die Spannung sinusförmig ist, die Amplitude Us hat und die Kreisfrequenz ω hat.

Du kannst ja mal ein Computerallgebra verwenden (zb. maple, maxima, matlab, scilab, mathcad, mathematica, ...) und dir diese Funktion über der Zeit t plotten lassen, dann kannst du dich mit Us und ω spielen und beobachten, wi sich die Funktion verändert. Mit der geometrischen Interpretation der Sinusfunktion hat das nicht sehr viel zu tun, der Winkel ist ja das Argument der Sinusfunktion also ω*t, der Winkel wird also kontinuierlich mit t vergrößert.

Die Gleichung: I(t)=C*dU(t)/dt besagt ja, dass der Strom im Kondensator proportional zur Spannungsänderung ist. d.h: steigt die Spannung so ist der Strom positiv, sinkt die Spannung so ist der Strom negativ, und so weiter. Wenn man das konsequent auf ein eine Sinusförmige Spannung anwendet kommt eben ein Kosinusförmiger Strom heraus. Im Prinzip kann man das aber auf alle möglichen Spannungsverläufe anwenden, die nicht mal periodisch sein müssen. So ergibt eine dreieckförmige Spannung einen rechteckförmigen Strom, eine Spannung die parabelförmig ansteigt ergibt einen Strom der linear ansteigt, und so weiter.

Man erhält also (für Sinusförmige Spannungen) den Strom:

I(t)=C*Us*ω*cos(ω*t)

Der Strom ist also um den Faktor C*ω 'größer als' die Spannung und außerdem phasenverschoben. Genau das Gleiche kann man auch durch einen gedachten Widerstand der Größe R=1/(ω*C) nach bilden. Die Phasenverschiebung kann man korrigieren indem man den Widerstand komplex wählt:

Xc=1/(j*ω*C)


Zum Gradientenfeld:

[jkh]

danke nochmal euch beiden.

gruß
jkh