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ivanov666
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Файл:Deutsch für Elektriker. Учебное пособие
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gesendet werden, zu illuminieren. Er verriet aber nicht genug Einzelheiten, damit man seinen Gedanken, wie er dies bewerkstelligen wollte, verfolgen kann.
Vakuumröhre
Er erfand eine Vakuumröhre, die unter Einfluss eines hochfrequenten Stroms einen Strahl
aussendet, der auf elektrostatische und magnetische Einflüsse mit erstaunlicher Empfindlichkeit reagierte. Heute würde man diese Idee gerne verwenden, doch hat Tesla diese
Entdeckung nie weiterverfolgt.
Oszillator
Tesla entwickelte einen Oszillator, der den Erdboden erschütterte und der die Polizei auf
den Plan rief, die er aber freundlich darauf hinwies, dass sie wieder gehen könnten. Diese
Erfindung ist für unsere Seismologen heute Goldwert, aber zu Teslas Zeit konnte man mit
dieser Entdeckung noch nichts anfangen.
Tesla Turbine
Ihre Verwendungsmöglichkeiten scheinen unendlich. Mit Benzin konnte sie Autos, Flugzeuge und Schiffe antreiben. Im Bergbau könnte man sie verwenden, egal, ob mit Dampf
oder Benzin betrieben. Sie würde billiger sein als alles, das bis jetzt da gewesen war.
Der große Verdienst Teslas
Nikola Tesla ist der große Erfinder, Elektrotechniker und Physiker. Der große Verdienst Teslas liegt in der Einführung von Wechselstrom in einen weiten Anwendungsbereich. Seine Erfindungen, die sich auf dem Wechselstrom basierten, wurden der Grundstein für die gesamte Weiterentwicklung der Elektrotechnik. Er machte etwa tausend Erfindungen und Patente - erfand den Induktionsmotor, das Dreiphasensystem für die Übertragung von elektrischem Strom, den Generator und Transformator für Hochfrequenzstrom
("Teslas Ströme") und anderes.
Tesla war auch einer der Pioniere im Bereich der Radio-Technik: er entdeckte das
System für die Fernbedienung und für das Geben von Zeichen in die Ferne; er entdeckte
das Beleuchtungssystem mit Hilfe von Bögen, konstruierte Hochfrequenzalternatoren als
Grundlage von Emissionsrundfunkstationen, stellte ungedämmte elektromagnetische Wellen her, entdeckte und patentierte das Resonanz-Prinzip für Funkverbindungen, legte seine
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Idee über die interplanetare Kommunikation mit Hilfe von ultrakurzen Wellen dar und erdachte das gesamte Radarsystem.
Anlässlich des hundertsten Geburtstages von Tesla benannte der Internationale
Elektroausschuß die Einheit der magnetischen Induktion mit seinem Namen (wird mit T
gekennzeichnet).
Die Gewinnung elektrischer Energie
Um einen dauernden Elektronenfluss zu erhalten, muss eine ständige Spannungsquelle vorhanden sein. Als solche Quelle dient ein Generator, der eine magnetische Richtkraft besitzt. Die magnetische Richtkraft, die als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet wird, bringt die Elektrizitätsträger in eine geordnete Bewegung.
Als Antriebsmaschinen für die Generatoren kennen wir Wärmekraftmaschinen
(Dampfmaschinen, Dampf- und Gasturbinen, Dieselmotoren), Wasser- und Windturbinen.
Als Treibmittel für Wärmekraftmaschinen dienen feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe, für Wasserturbinen- fließendes Wasser, für Windturbinen- bewegte Luft. Zur Gewinnung elektrischer Energie benutzt man gegenwärtig auch heiße Quellen, Erdwärme,
Energie des strömenden Wassers bei Ebbe und Flut, Atomenergie usw.
Mit Hilfe der Antriebsmaschinen treibt man die Generatoren(d.h. Stromerzeuger)
an. Im Magnetfeld des Generators bewegt sich ein Leiter, in dem eine elektrische Spannung (EMK) induziert. Die Spannung bringt einen elektrischen Strom zum Fließen, sobald
die Drahtenden leitend miteinander verbunden sind. Die Spannung ist umso größer, je
stärker das Magnetfeld und je größer die Geschwindigkeit ist, mit der die Feldlinien geschnitten werden.
Um mehr Elektroenergie zu gewinnen, verwendet man Stromerzeuger der großen
Leistung und in großer Anzahl. Der Betrieb, wo die Stromerzeuger aufgestellt werden,
heißt Elektrizitätswerk (Kraftwerk). In den Kraftwerken wird der größte Teil aller elektrischen Energie erzeugt.
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Den elektrischen Strom kann man auf chemischem Wege gewinnen, d.h. mit Hilfe
der galvanischen Elemente. Die Erzeugung des elektrischen Stromes auf chemischem Wege ist die älteste Art der Stromerzeugung.
Zu den neuen Wegen der Elektroenergieerzeugung gehört direkte Gewinnung von
Elektroenergie.
Die große Bedeutung der Elektroenergie rührt nicht zuletzt daher, dass sie sich verhältnismäßig einfach in andere Energieformen umwandeln lässt: in mechanische Arbeit
bei Motoren, in Wärmeenergie bei den vielerlei Elektrowärmegeräten, in die Energie
elektromagnetischer Wellen beim Rundfunk und beim Fernsehen.
Die mechanische Arbeit, die ein Motor verrichtet, die Wärmemengen, die ein
Tauchsiedler oder ein anderes Gerät entwickelt, sind messbar.
Je mehr Stromverbraucher – Glühlampen, Motoren usw. – wir einschalten und je
länger wir sie eingeschaltet lassen, desto mehr Elektroenergie wird in andere Energieformen umgewandelt. Mehr Stromverbraucher, das bedeutet aber – sofern, wie allgemein üblich, die Stromverbraucher parallelgeschaltet werden – höhere Stromstärke. Die geleistete
elektrische Arbeit wächst also mit der Stromstärke und mit der Zeit. Zwei parallelgeschaltete Glühlampen setzen doppelt soviel Energie um wie eine, verbrauchen dafür aber auch
den doppelten Strom. Man kann das gleiche Ergebnis aber auch erzielen, wenn man die
Lampen hintereinander schaltet und die doppelte Spannung anlegt. Die elektrische Arbeit
hängt also auch von der Spannung.
Elektrizität
Elektrizität (von griechisch elektron „Bernstein“) ist der Oberbegriff für alle Phänomene, die ihre Ursache entweder in ruhender elektrischer Ladung oder bewegter Ladung
(Ströme) sowie deren elektrischen und magnetischen Feldern haben. Die Träger der elektrischen Ladung sind negativ geladene Elektronen und Anionen und positiv geladene Protonen und Kationen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen
ziehen einander an. Die Kraft, die auf Ladungen gleichen Vorzeichens wirkt, wird als Abstoßung bezeichnet, die Kraft auf Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen als Anzie-
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hung. Elektrische Ladungen sind die Quellen des elektrischen Feldes, bewegte Ladungen
die Ursache für magnetische Felder.
Elektromagnetische Wellen (wie z.B. Licht) sind Erregungen des elektromagnetischen Feldes und können sich nach Entstehung unabhängig von Ladungsträgern im Raum
(als Photonen) ausbreiten, d.h. fortbewegen, sie wechselwirken aber auch mit Materie.
Bewegung elektrischer Ladung findet in elektrischen Leitern durch Bewegung freier
Elektronen und in Flüssigkeiten durch Ionenbewegung statt. Bei den Festkörpern unterscheidet man zwischen Leitern, Nichtleitern und Halbleitern.
Elektrizität im Alltag
Spannung, Strom und Zeit miteinander multipliziert ergeben bei Ohmschen Lasten
die elektrische Energie. Elektrizität ist von der vorhandenen elektrischen Energie abhängig, wobei die Auswirkungen von Elektrizität mit steigender Energie ebenfalls steigen
können.
Piezoelektrische Zünder, zum Beispiel für Feuerzeuge oder Gasherde, erzeugen hohe Spannungen (zirka 2000 Volt), sind jedoch wegen der geringen Stromstärke oder der
geringen Zeit des Stromflusses nahezu unschädlich. Kurzzeitige Stromstöße mit einer
Stromstärke von bis zu mehreren Ampere sind für den Menschen in der Regel nicht lebensbedrohlich, können aber durchaus Verletzungen hervorrufen.
Eine Autobatterie liefert eine Spannung von ungefähr 12 Volt. Sie kann Ströme von
über 100 Ampere erzeugen, wenn der Belastungswiderstand klein ist. Der menschliche
Körper hat in der Regel jedoch einen so großen elektrischen Widerstand, dass Spannungen
bis 40 Volt ungefährlich sind.
Die Netzsteckdose liefert bei einer Wechselspannung von 230 Volt einen dauerhaften Strom von bis zu 16 Ampere, was lebensgefährlich ist.
Im heutigen Alltag ist Elektrizität im Sinne von elektrischer Energie unentbehrlich,
was dem Menschen meistens erst durch Ausfälle von Versorgungsnetzen wieder bewusst
wird. Die Erzeugung dieses Energieträgers erfolgt fast immer in Kraftwerken, die Verteilung erfolgt flächendeckend durch Unternehmen der Energieversorgung. Seit über einem
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Jahrhundert bestimmen Anwendungen von Elektrizität, wie Licht, Wärme und Kraft mehr
und mehr das menschliche Leben. Eine ständig wachsende Bedeutung erlangt heute elektrische Energie in der Kommunikations- und Informationstechnologie.
Elektrizität hat je nach Stärke unterschiedliche Auswirkungen auf den menschlichen
Körper. Entscheidend für die Auswirkung sind die Stärke der Durchströmung in der Maßeinheit A(Ampere) und die Zeitdauer des Stromflusses. Geringe Durchströmungen werden
beispielsweise zur Förderung von Hellungsprozessen in der Elektrotherapie eingesetzt
oder als Impulsgeber für das Herz (Herzschrittmacher). Starke und anhaltende
Durchströmungen, insbesondere bei Wechselstrom, ab zirka 30 Milliampere können gefährliche Ströme darstellen und tödlich wirken. Die Elektroschockpistole beispielsweise
gibt mehrfach starke elektrische Impulse an das Opfer ab und verursacht schmerzhafte,
nicht kontrollierbare Muskelkontraktionen. Bei empfindlichen Personen können Atemlähmungen und Herzstillstand auftreten. Derartige Durchströmungen werden auch eingesetzt, um Menschen gezielt zu töten, wie dieses auch mit dem elektrischen Stuhl geschieht.
Elektroantriebe werden im Alltag in den unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt.
Ob im Lüfter eines Computers, zum Kühlen des Motors im Auto oder zum Herunterlassen
der Jalousien und Rollläden im Haus. Ihren Einsatzgebieten sind kaum Grenzen gesetzt.
Die große Bedeutung der elektrischen Energie liegt darin, dass sie mit außerordentlich geringem Gefahrenpotential im Vergleich mit anderen Energieträgern wie Erdgas
transportiert und verwendet werden kann. So sind beispielsweise „Gassteckdosen“ für gelegentliche Verbraucher sowohl in Industriebetrieben als auch Privathäusern unvorstellbar.
Es gibt keine andere Energieart, die sich so einfach, vielfältig und verlustarm in andere Energiearten wie mechanische Arbeit, Wärme, Licht oder Schall umwandeln lässt.
Ein ungelöstes Problem ist die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie. Das
funktioniert bisher nur über verlustbehaftete Umwege wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke oder chemische Umwandlungen in Akkumulatoren, das auch nur in geringen
Mengen.
Das Wesen der Elektrizität
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Wir wissen heute, dass die Atome die kleinsten Teile eines Elements sind, die man
weder auf physikalischem noch auf chemischem Wege teilen kann, ohne die Eigenschaften dieser Elemente zu ändern.
Das Atom hat einen Kern, welcher positiv geladen ist und aus Protonen und Neutronen besteht. Die positive Ladung des Atomkerns bestimmt die Anzahl der negativen Elektronen.
Die Elektronen sind die Elementarquanten negativer Elektrizität. Sie sind nahezu
masselos. Diese negativen Elektronen kreisen mit großer Geschwindigkeit um den Atomkern. Sie stoßen sich gegenseitig ab und bewegen sich auf verschiedenen Bahnen. Die Anziehungskräfte zwischen den positiven Ladungen des Kerns und den negativen Ladungen
der Elektronen binden die letzteren an den Kern.
In den metallischen Leitern befindet sich eine große Anzahl freier Elektronen. Das
sind Elektronen, die sich völlig ungeordnet zwischen den Metallatomen bewegen. Wird
aber eine Spannung angelegt, so fließen diese Elektronen zum positiven Pol. In den Nichtleitern sind keine freien Elektronen vorhanden, da alle Elektronen im Atomgitter fest gebunden sind.
Die Protonen sind die Elementarquanten der positiven Elektrizität. Die Masse eines
Protons ist 1836-mal größer als die Masse eines Elektrons. Neutronen sind elektrisch neutrale Massenteilchen.
Gibt ein Atom Elektronen ab oder nimmt er sie auf, so wird das elektrische Gleichgewicht zwischen der positiven Kernladung und den negativen Elektronen gestört. Das
Atom ist dann elektrisch positiv oder negativ geladen. Ein Atom ist dann elektrisch positiv
oder negativ geladen. Ein solches elektrisch geladenes Atom wird als Ion bezeichnet.
Verbindet man zwei Metallkörper durch einen Draht, so fließen die überschüssigen
Elektronen des negativ geladenen Körpers zum positiv geladenen Körper, um dort den
Elektronenmangel auszugleichen.
Das Bestreben zweier elektrisch geladener Körper, sich auf einen elektrisch neutralen Zustand auszugleichen, nennen wir die Spannung. Ist dieser Ausgleich vollzogen, so
fließen keine Elektronen mehr von einem zum anderen Pol. Um einen dauernden Elektronenfluss zu erhalten, muss eine ständige Spannungsquelle vorhanden sein.
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Elektronen
Lange Zeit konnte man die in einem elektrischen Stromkreis abspielenden Vorgänge
trotz der verschiedenen Theorien nicht erklären. Erst die Forschungen der letzten Jahrzehnte über den Bau der Materie brachten auch in dieser Frage Klarheit. Bekanntlich sind
die kleinsten Teile der Materie, die sich weder mechanisch noch chemisch trennen lassen,
Atome. Aber auch diese sind, wie die Atomzertrümmerung beweist, aus noch kleineren
Teilchen zusammengesetzt: dem positiv geladenen Atomkern (Protonen – Neutronen) und
den negativ geladenen Elektronen, die mit sehr großer Geschwindigkeit in meist mehreren
Bahnen (sog. Schalen) um den Kern kreisen. Da die Elektronen von dem positiven Atomkern angezogen werden, können sie ihre Bahnen nicht verlassen. Das ganze kann man etwa mit einem Sonnensystem von unvorstellbar kleinem Ausmaß vergleichen, wobei der
Atomkern die Sonne und die Elektronen die Planeten darstellen. Mit welchen winzigen
Abmessungen man hierbei aber in Wirklichkeit zu rechnen hat, zeigt z.B. das Wasserstoffatom, das einen Durchmesser von nur einem Zehnmillionstel Millimeter hat.
Trotz dieser kaum vorstellbar kleinen Maße kreisen die Elektronen in einem ziemlichen Abstand um den Kern. Nehme man beispielsweise an, dass der Atom-kern so groß
wie ein Stecknadelkopf ist, dann müssten die Elektronen in einer Ent-fernung von 60m um
diesen Kern kreisen. Neben den bisher besprochenen „gebundenen“ Elektronen, d.h. durch
die Anziehung des Kernes festgehaltenen, befinden sich in Metallen und sonstigen elektrisch leitenden Stoffen auch noch „freie“ Elektronen (Leitungselektronen).
Solche Elektronen kann ein Atom abgeben oder aufnehmen. In den sog. Stromquellen, z.B. galvanischen Elementen oder Stromerzeugungsmaschinen, werden nun diese
freien Elektronen durch die in Stromquelle wirksame „Urspannung“ oder elektromotorische Kraft nach einer bestimmten Richtung verschoben. Es entsteht auf der einen Seite ein
Elektronenmangel, auf der anderen ein Elektronenüberschuss. Verbindet man daher die
positive und negative Klemme der Stromquelle durch eine leitende Verbindung, so strömen die Elektronen vom Überschuss – nach dem Mangelgebiet. Ein elektrischer Strom
fließt aber nur so lange, wie die „Urspannung“ oder EMK wirksam ist. Die Wanderungs-
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geschwindigkeit der Elektronen in der Leitung selbst ist sehr gering und beträgt nur 1mm/s
und weniger, während die von dem größten Teil der Elektronen in der Leitung erzeugte
Energie mit einer Geschwindigkeit von 300 000 km/s übertragen wird.
Die Wirkungen des Stromes treten daher auch bei beliebig langen Leitungen sofort
in allen teilen des Stromkreises ein. Man ersieht hier aus vor allem, dass zum Fließen der
Elektronen stets ein in sich geschlossener Stromkreis erforderlich ist. Die gleiche Zahl von
Elektronen, die von dem Überschussgebiet abfließt, muss dem Mangelgebiet zuströmen.
Sind in einem Material keine freien Elektronen vorhanden, so kann dieses auch die Elektronen nicht weiterleiten. Solche Materialien nennt man Nichtleiter oder Isolatoren.
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Halbleiter
Halbleiter sind zwischen Leiter und Nichtleiter (Isolatoren) einzuordnen. In den reinen metallischen Leitern befindet sich eine Vielzahl freier Elektronen. Das sind Elektronen, die sich völlig ungeordnet zwischen den Metallatomen bewegen. Beim Anlegen einer
Spannung tritt eine Flussrichtung zum positiven Pol ein. Die Nichtleiter sind durch einen
hohen spezifischen Widerstand gekennzeichnet. In ihnen sind keine freien Elektronen vorhanden, da alle Elektronen im Atomgitter fest gebunden sind.
Zwischen diesen beiden Gruppen liegt die Gruppe der Halbleiter. Das sind jene
Stoffe, die sich in keine der beiden Gruppen einordnen lassen. Sie leiten zwar den elektrischen Strom, können aber nicht als Leiter klassifiziert werden. In der Natur kommen z.B.
die Halbleiter Schwefelkies und Bleiglanz vor. Neuerdings können die Halbleiter auch
künstlich hergestellt werden. Durch Beifügung von Fremdstoffen erreicht man dabei ganz
bestimmte Eigenschaften.
Das steuerbare Halbleiterbauelement hat sich in wenigen Jahren bereits zu einem
wichtigen und zuverlässigen Bauelement entwickelt, dessen Lebensdauer sehr hoch ist.
Das wichtigste Halbleitermaterial ist das Germanium, das im höchsten Reinheitsgrad ein
Isolator ist. Ein Stromfluss kann nicht zustande kommen, weil freie Elektronen fehlen. Bereits die geringste Beimischung verändert aber das elektrische Verhalten des Germaniums
vollkommen. Eine solche Beimischung verursacht Störstellen in dem regelmäßigen Gitteraufbau und gibt dem Germanium eine bestimmte Leitfähigkeit.
Die Vorgänge in den Halbleitern sind außerordentlich kompliziert. Interessant ist
der Halbleiter dadurch geworden, dass an den Berührungsstellen zwischen Halbleitern und
metallischen Leitern oder an den Grenzgebieten von Halbleitern verschiedenen Typs (pund n-Leiter) Vorgänge auftreten, deren Ausnutzung sich für die Technik als äußerst wertvoll erwiesen hat.
Eine der wesentlichsten Eigenschaften der Halbleiter ist der Gleichrichtereffekt. Bei
einem Halbleiter vom n-Typ (n-negativ) des Germaniums entsteht zwischen Halbleiter und
einer metallischen Spitze unmittelbar an der Berührungsstelle eine Zwischenschicht aus pGermanium (p- positiv), welche der Elektronenflussrichtung einen hohen Widerstand ent-
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gegensetzt, bei Änderung der Polarität jedoch den Widerstand verkleinert. Bei dem p-Typ
des Germaniums liegen die Verhältnisse umgekehrt. Befindet sich der p-n-Übergang im
Inneren des Halbleitergleichrichters, so bezeichnet man diesen als Flächengleichrichter.
Der p-n-Übergang lässt sich jedoch an die Kristalloberfläche verlegen, die von einer feinen Drahtspitze berührt wird. Das ergibt einen Spitzengleichrichter, eine Spitzendiode. Sie
ist für die Elektronik und für die Hochfrequenztechnik von Bedeutung.
In der Elektronik aber wird vor allem der Flächengleichrichter eingesetzt. Er war als
Kupferoxyd- und als Selengleichrichter seit Jahrzehnten bekannt, wird jedoch heute (vor
allem im Bereich größerer elektrischer Leistungen) vorwiegend als Siliziumgleichrichter
ausgeführt.
Dafür gibt es wichtige technische und ökonomische Gründe: der Wirkungsgrad von
Siliziumgleichrichtern liegt über 95% und ist damit dem anderen Gleichrichter weit überlegen. Die Vorzüge der Halbleiterdiode legten es nahe, einen ähnlichen Schritt zu versuchen wie einst von der gleichrichtenden Röhrendiode zur verstärkten Triode, d.h. ein verstärkendes Halbleiterbauelement zu entwickeln: Diese Überlegungen führten zum Transistor, einem der wichtigsten Bauelemente der modernen Elektronik.
Innerhalb weniger gelang es, zu den meisten Elektronenröhrenschaltungen „transistorisierte Parallelen“ zu finden. Darüber hinaus eröffnete der Transistor neue Möglichkeiten für elektronische Geräte und ihre Baustufen. So ergeben z.B. durch die Kombination
von p-n-p- und n-p-n-Transistoren Schaltanordnungen, die mit Röhren nicht ausführbar
sind; auch stellte man fest, dass der Transistor nicht nur zur Verstärkung, sondern auch als
elektronischer Schalter gut geeignet ist.
Die Stromversorgung des Transistors ist einfacher und ökonomischer als die einer
Röhre. Er wird nicht geheizt, ist daher stets betriebsbereit und benötigt nur eine niedrige
Betriebsspannung. Erwärmung und Leistungsbedarf bleiben gering, gegen mechanische
Erschütterungen ist er unempfindlicher als eine Elektronenröhre mit evakuiertem Kolben
und zahlreichen Bauteilen, deren gegenseitige Lage sich nicht verändern darf. Vor allem
aber bestechen die geringen Abmessungen von Transistoren und anderen Halbleiterbauelementen: Für die Verkleinerung von Elektronenröhren legen wenige Kubikzentimeter
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