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Telekosmos-PraktikumTeil 1• Title • Heinz Richter • Inhaltsverzeichnis • Wichtige Hinweise • Auswahl von Geräten • Einleitung A. Wir richten unser Experimentierlabor ein B. Elektrotechnik, in Versuchen erlebt C. Mit Halbleiterdioden auf du und du D. Mit dem Transistor ist alles zu machen Schlusswort AnhangI. Anwelsung zum AufbauII. Anleitung zum Prüfen und Reparieren von Einzelteilen • Versuchsverzeichnis • Stichwortverzeichnis • Accessories • Norm-Schaltzeichen nach DIN |
9. Etwas Wichtiges: Die elektrische LeistungJetzt kommen wir zu einem neuen Begriff. Wenn ein Lämpchen brennt oder ein Elektromotor läuft, so wird etwas "geleistet". Man sagt, das Lämpchen oder der Motor gibt Leistung in Form von Lichtenergie bzw. mechanischer Energie ab, die offenbar von einer "elektrischen Leistung" herruehrt. Um eine solche Leistung zustandezubringen, werden Spannung und Strom benötigt, und es ist leicht einzusehen, daß die Leistung um so größer ist, je höher Spannung und Strom sind. Man bezeichnet daher das Produkt aus Strom und Spannung mit elektrischer Leistung (P), die in der Einheit Watt (W) mit den größeren Einheiten Kilowatt (kW) und Megawatt (MW) bzw. den kleineren Einheiten Milliwatt (mW) und Mikrowatt (µW) gemeßen wird. Es sind 1 Megawatt = 1 000 000 Watt, 1 Kilowatt = 1 000 Watt, 1 000 Milliwatt = 1 Watt. Der Begriff der elektrischen Leistung ist sehr wichtig und kehrt immer wieder. Es gilt also: P = U · I (Leistung = Spannung · Stromstärke). Weiterhin gilt für die Leistung an einem Widerstand: P = U²/R = I² · R.10. Wer etwas leistet, arbeitet auchIn der Praxis kommt es natuerlich darauf an, wie lange die elektrische Leistung wirksam ist. Das Produkt aus Leistung und Betriebszeit (t) ist massgebend für die Höhe des "Stromverbrauches". Dieses Produkt heisst elektrische Arbeit (A) und wird in Wattstunden (Wh) bzw. Kilowattstunden (kWh), Megawattstunden (MWh), Milliwattstunden (mWh) und Mikrowattstunden (µWh) gemeßen. Es gilt: A = P · t.11. Auf den Wirkungsgrad kommt es an!Die von einer Stromquelle abgegebene elektrische Leistung wird in dem angeschlossenen Verbraucher niemals restlos in Nutzleistung umgesetzt. Stets geht ein gewisser Leistungsbetrag verloren. Eine Anlage ist daher um so besser, sie hat einen um so höheren "Wirkungsgrad" (η = Eta), je größer die Nutzleistung Pw im Verhältnis zur gesamten zugeführten Leistung P ist. Dieses Verhältnis heisst daher Wirkungsgrad; es ist stets kleiner als 1, denn die Nutzleistung ist stets geringer als die insgesamt zugeführte Leistung. Es ist also: Wirkungsgrad = Nutz- oder Wirkleistung : Gesamtleistung oder η = Pw : P.12. Anpassung ist alles!Ebenso wichtig wie der "Wirkungsgrad" ist der Begriff der sogenannten Anpassung. Bei der Anpassung spielt das Verhältnis zwischen dem Innenwiderstand (Ri) der Stromquelle und dem angeschlossenen Aussenwiderstand (Ra) eine große Rolle. Wir machen uns das am besten anhand von zwei extremen Beispielen klar. Wenn der Aussenwiderstand sehr gross gegenüber dem Innenwiderstand ist - dieser Fall liegt z. B. bei einem unterbrochenen Stromkreis vor und wird auch "Leerlauf" genannt - so kann praktisch kein Strom fliessen. Dann kann auch im Aussenwiderstand keine Leistung zustande kommen. Wenn wir dagegen die Stromquelle durch ein kurzes, dickes Stück Draht verbinden - man spricht dann von "Kurzschluss" -tritt aussen an der Stromquelle überhaupt keine Spannung auf, denn an einem Widerstand von 0 Ω kann nach dem Ohmschen Gesetz auch keine Spannung erzeugt werden. Dagegen fliesst jetzt ein starker Strom, der am Innenwiderstand der Stromquelle vollkommen nutzlos eine hohe Leistung verbraucht (die volle Spannung liegt jetzt am Innenwiderstand). Wir sehen: in beiden Faellen gibt die Stromquelle überhaupt keine Nutzleistung ab. Liegt jedoch der Aussenwiderstand zwischen Null und unendlich, so liefert die Stromquelle eine Nutzleistung, und man kann nachweisen, daß diese dann am groessten ist, wenn der Aussenwiderstand ebenso gross wie der Innenwiderstand ist. In diesem Fall spricht man von "Leistungsanpassung" zwischen Stromquelle und Aussenwiderstand bzw. Verbraucher. Sind die beiden Widerstände nicht gleich, so liegt eine "Fehlanpassung" vor, und zwar eine "Überanpassung", wenn der Aussenwiderstand größer als der Innenwiderstand ist. Ist dagegen der Aussenwiderstand kleiner als der Innenwiderstand, so haben wir eine "Unteranpassung".Es gibt auch eine Strom- und Spannungsanpassung. Stromanpassung liegt vor, wenn der Stromquelle ein Hoechstmass an Strom entnommen wird. Das tritt beim Kurzschluss auf. Spannungsanpassung dagegen erhält man, wenn man der Stromquelle ein Hoechstmass an Spannung entnimmt. Dieser Fall liegt bei Leerlauf, also bei unterbrochenem Stromkreis vor, denn die Stromquelle braucht dann überhaupt keinen Strom zu liefern, so daß wir an ihren Anschlüssen die volle Leerlaufspannung meßen können. In Formeln ausgedrückt erhalten wir für die Nutzleistung P = E² · Ra / (Ra + Rj)² und
für den Fall
Ra = Ri
die Formel
Pmax = E² / (4 · Ra)².
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