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ivanov666
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Файл:Deutsch für Elektriker. Учебное пособие
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die Untergrenze fest: Transistoren in der Größe eines Stecknadelkopfes sind dagegen kein
Seltenheit.
Die Summe dieser günstigen Eigenschaften wurde von entscheidender Bedeutung
für die moderne Elektronik. Ohne die Halbleitertechnik wäre diese jetzt überhaupt nicht
denkbar. Die überragende, von Tag zu Tag zunehmende Bedeutung der Halbleitertechnik
ist nicht allein der gleichrichtenden Diode und dem verstärkenden Transistor zu verdanken, sondern zahlreichen neuen Forschungsrichtungen, die durch Beschäftigung mit Halbleitern angeregt wurden und deren Resultate sehr rasch in zahlreichen Gebieten der Technik Anwendung finden.
Halbleiter in der Elektrotechnik
Die Halbleiterbauelemente haben bereits vielseitige Anwendung in Geräten der
Schwachstromtechnik, in der Messtechnik, in der elektronischen Rechentechnik und in der
Industrieelektronik gefunden. Es gab zwar schon früher Halbleiterbauelemente, wie z. B.
Kristalldetektoren, jedoch konnte man lange Zeit deren Funktion nicht exakt erklären. Die
entscheidende Wendung trat ein, als 1948 das Ziel erreicht wurde, einen elektrischen
Strom nicht nur wie bisher in der Vakuumröhre, sondern auch in einem Festkörper zu
steuern. In den Mittelpunkt der Interessen rückten die so genannten aktiven Halbleiterelemente – Transistoren.
Es waren noch viele Probleme technischer Art zu lösen. Aber schon im Anfangsstadium zeigte sich, dass sich hier ein neuer Industriezweig ausbildete, der die zukünftige
Entwicklung der Bauelemente und Geräte der Nachrichtentechnik stark beeinflusste und
der heute in allen Industriestaaten eine bedeutende Rolle spielt. Das Ausgangsmaterial
derartiger Bauelemente ist ein Grundstoff von einem bisher noch nicht erreichten Reinheitsgrad. Während in einem metallischen Leiter etwa ebenso viele freie Elektronen für
den elektrischen Strom für Verfügung stehen, wie Atome vorhanden sind, sind es bei einem absolut reinen Halbleiter sehr wenige. Beim Germanium kommt z.B. auf etwa eine
Milliarde von Atomen nur ein freier Ladungsträger. Die Ladungsträgerzahl kann sich mit
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der Temperatur stark erhöhen, was in einigen Geräten ausgenutzt werden kann. Halbleiter
sind hauptsächlich Metalloxyde und die Elemente Selen, Silizium, Germanium.
In der Schwachstromtechnik haben sich die Halbleiter sehr schnell durchgesetzt –
wir verdanken ihnen die kleinen Transistorradios, schnelle, zuverlässige Rechenmaschinen, die Sonnenbatterien der Sputniks.
Die Halbleiter sind in die Starkstromtechnik eingedrungen und haben dort ebenfalls
eine große Umwälzung hervorgerufen. Die wichtigste Anwendung der Halbleiter in der
Starkstromtechnik ist deren Anwendung als Gleichrichter, d.h. zur Umwandlung von
Wechselstrom in Gleichstrom. In den gegenwärtigen großen Kraftwerken wird meist
Wechselstrom erzeugt, während in der Industrie etwa bis ein Drittel der erzeugten elektrischen Energie in Form von Gleichstrom verbraucht wird.
Deshalb spielt die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom eine wichtige
Rolle. Um Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen, wird in den Stromkreis ein Ventil
eingesetzt, das den Strom in der einen Richtung ungehindert fließen lässt, in der anderen
Richtung aber sperrt. Anstatt der alten angewandten Quecksilberdampf-Gleichrichter kann
man einen Halbleiter als Ventil verwenden. Als Ventil dient dazu ein münzengroßes
Scheibchen eines hochreinen Siliziums-kristalls. Solch ein Gleichrichter ist ungewöhnlich
klein und zuverlässig. Seine Verluste betragen höchstens 1%. In der Zukunft werden alle
Gleichrichter mit Siliziumventilen ausgestattet sein.
Auch Geräte zur Speisung von Fernsprechapparaten und die Lichtbogenschweißgeräte werden mit Halbleitern ausgestattet. In der Lokomotivindustrie werden seit
einigen Jahren große Bahnstrecken, z.B. die Strecke, die von Moskau nach Sibirien führt,
mit hochgespanntem Wechselstrom gespeist. Dieser wird dann auf jeder einzelnen Lokomotive über einen Siliziumgleichrichter in Gleichstrom umgeformt. Eine weitere wirtschaftlich sehr wichtige Anwendung von Halbleitergleichrichtern sind die Anlagen zur
Drehzahlregelung großer elektrischer Motoren mit Leistungen von mehreren tausend Kilowatt. Die Drehzahl wird durch die Umformung der Netzwechselspannung in Gleichspannung geregelt.
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Was ist elektrischer Strom?
Als die ersten elektrischen Apparate und Maschinen gebaut wurden, hatte man vom
Wesen der Elektrizität noch sehr unklare Vorstellung. Niemand wusste, was elektrischer
Strom eigentlich sei. Die Wissenschaft hat diese Frage am Ende des 19.Jahrhunderts beantwortet: Elektrischer Strom ist das gemeinsame Wandern von Ladungsträgern, von kleinen elektrisch geladenen Teilchen.
Ladungsträger sind in der Elektrotechnik meistens Elektronen, dieselben Elektronen, welche in der „Hülle“ jedes Atoms enthalten sind. In Flüssigkeiten und Gasen treten
unter gewissen Voraussetzungen auch Atome oder Atomgruppen als Ladungsträger auf.
Man nennt sie Ionen.
Die in einem Draht wandernden Elektronen entstammen keinem „Elektronenerzeuger“. Einen solchen gibt es nicht. Sie sind von vornherein im Leiter enthalten. Atome des
Werkstoffes, aus dem der Draht besteht, geben Elektronen ab, die sich nunmehr frei zwischen den Atomen bewegen können. Wandern sie alle in einer Richtung, so fließt in Draht
Strom. Die in Metall frei beweglichen Elektronen „transportieren“ also die Elektrizität.
Deshalb nennt man sie Leitungselektronen. Metalle leiten den elektrischen Strom gut, weil
in ihnen reichlich Leitungselektronen zur Verfügung stehen. Stoffe, in denen es zahlreiche
leichtbewegliche Ladungsträger gibt, nennt man Leiter.
In Materialien, in denen keine oder nur sehr wenige Leitungselektronen vorhanden
sind, kann auch kein Strom fließen. Solche Stoffe heißen Isolatoren. Sie sind für den
Elektrotechniker ebenso wichtig wie die Leiter. Ein Leiter, in dem man einen Strom zum
Fließen bringt, hätte sehr rasch alle Leitungselektronen verloren, wenn sich die abgewanderten Elektronen nicht immer wieder ergänzt hätten. Da sich aber Elektronen weder erzeugen noch in größeren Menge „speichern“ lassen, ist in einem Leiter ein dauernder
Strom nur dann möglich, wenn die Leitungselektronen einen ständigen Kreislauf vollführen.
Denke man sich einen Drahtring, in dem man – wie, sei im Augenblick unwichtig –
einen Strom zum Fließen bringt. Dann würden sich im Drahtring ständig die gleichen Leitungselektronen bewegen. Ihre Zahl würde sich nicht wesentlich ändern. Würden wir ein
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Stück des Drahtringes herausgreifen, so würden sich darin stets gleich viele wandernde
Leitungselektronen befinden.
Eine Anordnung, in der Elektronen einen ständigen Kreislauf vollführen können,
nennt man Stromkreis. Er zählt zu den wichtigen Begriffen der Elektrotechnik, denn wo
nur ein elektrisches Gerät betrieben wird, ist es Teil eines Stromkreises. In der Praxis hat
man dabei nicht mit einem Drahtring zu tun, sondern mit einer Leiterschleife beliebiger
Form. Sie ist mindestens an zwei Stellen unterbrochen: An der einen befindet sich eine
Energiequelle, die den Leitungselektronen eine gewisse Antriebsenergie vermittelt, an der
anderen – ein Verbraucher, in dem diese Antriebsenergie in eine andere Energieform, zum
Beispiel in Wärme oder in die mechanische Energie eines Motors, umgesetzt wird.
Der Name „Stromverbraucher“ ist daher, obwohl allgemein verbreitet, im Grunde
falsch. Es wird keine elektrische Energie „verbraucht“, sondern lediglich umgewandelt.
Ebenso ist die Energiequelle des Stromkreises nur eine Vorrichtung, in der Elektroenergie
aus einer anderen Energieform gewonnen wird.
Der Elektronenkreislauf hat allgemein bekannte Folgen: Jeder Stromverbraucher
muss über zwei Leitungen mit der Elektroenergiequelle verbunden werden – in der einen
fließen ihm die Elektronen zu, über die andere fließen sie wieder ab. Wird der Kreislauf an
irgendeiner Stelle unterbrochen, hört der Stromfluss sofort auf. Deswegen können wir einen Schalter an beliebiger Stelle in den Stromkreis einfügen.
Die Wanderungsgeschwindigkeit der Elektronen bleibt, wie es durch experimentelle
Untersuchungen festgestellt wurde, sehr gering. Leitungselektronen bewegen sich in der
Sekunde nur um Bruchteile eines Millimeters vorwärts. Trotzdem wirkt sich eine Unterbrechung des Stromkreises oder sein Wiedereinschalten augenblicklich auf den ganzen
Stromkreis aus. Diese Erscheinung kann dadurch erklärt werden, dass sich der Antriebsimpuls von Elektron zu Elektron, der mit der Wanderungsgeschwindigkeit der Elektronen
nichts zu tun hat, sehr schnell fortpflanzt, ähnlich wie sich die Wasserteilchen in einem
Rohr unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit unverzüglich überall in Bewegung
setzen, wenn ein Wasserleitungsbahn geöffnet wird.
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Wirkungen des elektrischen Stromes
1 Wärmewirkung
Bei der Bewegung durch den Leiter stoßen die Ladungsträger mit den Atomen des
Metallgitters zusammen und übertragen ihnen dabei einen Teil ihrer kineti-schen Energie.
Die Energieaufnahme der Atome äußert sich in ihrer größeren ther-mischen Bewegung
und einer Temperaturerhöhung des Werkstoffs. Die Energie der Ladungsträger wandelt
sich in Wärmeenergie um.
2 Magnetische Wirkungen
Bewegte elektrische Ladungsträger erzeugen in ihrer Umgebung ein magnetisches
Feld.
3 Chemische Wirkungen
Durch den elektrischen Strom können chemische Reaktionen ausgelöst werden, z.B.
Zersetzung dissoziierter chemischer Verbindungen in stromdurchflossenen Flüssigkeiten.
4 Lichtwirkungen
Nach Energieaufnahme können Atome, Moleküle oder Ionen Lichtenergie in Form
elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen des sichtbaren Spektrums wieder abgeben.
Es werden Temperaturstrahler (mit Wärmewirkung verbunden) und
Lumineszenzstrahler unterschieden.
Wirkungen des elektrischen Stromes auf den Menschen
Sind abhängig von: Einwirkdauer; Stromstärke; Stromweg im menschlichen Körper;
Frequenz; Körperlicher Verfassung und dem Gewicht des Menschen.
Die Empfindlichkeit des Menschen gegenüber dem elektrischen Strom ist bei
Wechselstrom bis 200 Hz größer als bei Gleichstrom. Sie ist von der Einwirkdauer und
vom Stromweg abhängig. Die Stärke des Stromes ist vom jeweiligen Gesamtwiderstand
des menschlichen Körpers, dieser wiederum von der anliegenden Spannung und der Einwirkzeit des Stromes abhängig.
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Nützliche Wirkungen (Elektromedizin)
Unter Berücksichtigung der genannten Faktoren werden die Wirkungen des elektrischen Stromes bewusst in der Medizin zur Behandlung erkrankter Menschen mit Erfolg
genutzt.
Strom ohne Widerstand
Eine der merkwürdigsten Erscheinungen in der Physik ist die „Supraleitung“. Es ist
bekannt, dass jeder Stoff einen elektrischen Widerstand hat, der durch das Ohmsche Gesetz bestimmt ist: R = U/I (Ohm), U = I . R (Volt), I = U/R (Ampere).
R bedeutet in diesen Gleichungen den Widerstand eines elektrischen Leiters in
Ohm, I die Stromstärke in Ampere und U die Spannung in Volt. Die zweite Gleichung
zeigt, dass bei konstanter Spannung die Stromstärke umso größer wird, je kleiner der Widerstand ist.
Die elektrische Leitfähigkeit ändert sich mit der Temperatur.
Gewöhnlich sinkt bei sinkender Temperatur auch der Widerstand. Angenommen,
man senkt die Temperatur bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts. Dieser hat den Wert
von –273,2 ˚C oder 0 ˚K. Dann geschieht etwas Überraschendes: Der Widerstand schwindet vollständig. Das Metall ist supraleitend geworden.
1911 entdeckte der niederländische Physiker Helke Kammerlingh Onnes die Supraleitung, als er Quecksilber (Hg) mit flüssigem Helium (He) kühlte. Bei 4,2
˚
Kelvin
schwand der Widerstand. Er konnte die Erscheinung nicht erklären, und auch heute ist sie
noch nicht völlig geklärt. Aber er erkannte ihre Bedeutung: Nun würde es möglich sein,
Strom ohne Widerstand zu übertragen.
Eine Kühlung auf so extrem tiefe Temperaturen ist schwierig und teuer. Daher bemühten sich viele Physiker, Stoffe zu finden, die bei höherer Temperatur supraleitfähig
werden. 1986 entdeckten Alex Müller und Georg Bednorz am IBM-Forschungslabor in
Zürich eine Keramik aus Lanthan (La), Barium (Ba), Kupfer (Cu) und Sauerstoff, die bei
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der „hohen“ Temperatur von 35
˚
Kelvin supraleitend wurde. Im folgenden Jahr erhielten
sie für ihre Entdeckung den Nobelpreis für Physik.
Heute kennt man bereits Stoffe mit Supraleitung bei 150
˚
Kelvin. Nun kann man
statt Helium den 30-mal billigeren flüssigen Stickstoff (N) zur Kühlung verwenden. Leider
haben die neuen Keramik-Supraleiter einen Nachteil: Aus den spröden Stoffen Kabel herzustellen ist sehr schwierig.
Mit Supraleitern erreicht man widerstandslose Ströme von vielen tausend Ampere.
Deshalb lassen sich damit sehr starke Magnetfelder erzeugen. Man verwendet diese in
medizinischen Geräten und Messinstrumenten, in den großen Teilchenbeschleunigern wie
DESY in Hamburg oder GERN in Genf und in den Reaktoren für die Kernfusion. Mit
Supraleitern in Generatoren und Kabeln wäre es möglich, einen großen Teil der elektrischen Energie zu sparen.
Stromarten - Gleichstrom und Wechselstrom
Bei der Einteilung des Stroms wird in Gleich- und Wechselstrom unterschieden. Der
Gleichstrom ist dabei der zeitlich konstante Strom, das heißt, er wechselt über eine bestimmte Zeit gesehen weder seine Richtung noch seine Stärke. Wird die Richtung des
Stroms festgelegt, so unterscheidet man in technische und physikalische Stromrichtung.
Sind in Metallen die Elektronen die Ladungsträger, so bewegen sie sich vom negativen
zum positiven Pol. Damit bewegen sie sich entgegengesetzt zur technischen Stromrichtung.
Beim Gleichstrom wird also eine stetig konstante Spannung an den Stromkreis angelegt. Beispiele für Dinge des täglichen Lebens, die mit Gleichstrom betrieben werden,
sind Batterien oder auch Netzgeräte. Überhaupt fast alle elektronischen Geräte, die in einem Haushalt verwendet werden (Radio, Fernseher, Handy, usw.), benötigten Gleichstrom, um zu funktionieren.
Beim Wechselstrom ändert sich die Stromrichtung ständig, was meist in bestimmten
zeitlichen Abständen geschieht. Diese zeitlichen Abstände werden als Frequenzen bezeichnet, die angeben, wie oft die Richtung des Stroms in einer gewissen Zeit, meist einer
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Sekunde, geändert wird. Bei uns ist das 50-mal in der Sekunde, auch bezeichnet als 50 Hz.
Die Richtung der Spannung wechselt also ständig. Das wohl bekannteste Beispiel für eine
Wechselstromquelle ist die Steckdose.
Mit Hilfe eines so genannten Transformators können nun die Wechselspannungen
einfach umgewandelt werden. Das ist nötig, weil zum Beispiel die Überlandleitungen mit
einer ungleich höheren Spannung arbeiten, als zum Beispiel die Stadtnetze. Und selbst
diese haben noch eine höhere Spannung als die, die beispielsweise für die Steckdose oder
für das "Lichtnetz" benötigt wird. So wird Wechselstrom also vor allem in den öffentlichen Stromnetzen angewendet.
Eine besondere Form des Wechselstroms ist der umgangssprachlich bekannte Kraftstrom
(Drehstrom). Dieser heißt eigentlich Dreiphasenwechselstrom und wird Teilung von großen Energiemengen durch öffentliche Stromerzeuger benutzt. Auch in der Industrie findet
der Drehstrom fast überall Anwendung z.B. bei elektrischen Motoren.
Es ist auch möglich, Gleichstrom aus Wechselstrom herzustellen. Dazu werden so
genannte Gleichrichter eingesetzt, die die Umwandlung vornehmen. Dadurch ist es möglich, bestimmte Geräte auch dort zu betreiben, wo eigentlich nur Wechselstromverfügbar
ist. Bei der Umwandlung der Stromarten entsteht Energie, die in Form von Wärme freigegeben wird. Umgekehrt funktioniert dies auch, die dazu benötigten Geräte werden Wechselrichter genannt.
Außerdem gibt es noch den Mischstrom. Das ist eine Kombination aus Gleich- und
Wechselstrom. Die Richtung des Mischstroms wird nicht vollständig geändert, wie es
beim Wechselstrom der Fall ist. Der Anteil des Gleichstroms wird aber in seiner Stärke
geändert, weil der Wechselstrom zusätzlich vorhanden ist. Diese Änderung findet in regelmäßigen zeitlichen Abständen statt. Diesen Mischstrom findet man bei den bereits genannten Gleichrichtern. Die elektrische Spannung, die bei der Umwandlung anliegt, wird
auch als Brummspannung bezeichnet.
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Wechselstrom
Erzeugung von Wechselstrom. In einer Drahtschleife, die in einem Magnetfelde
gedreht wird, entsteht nach dem Induktionsgesetz eine Spannung, die einen elektrischen
Strom fließen lässt, wenn die von den Bürsten abgehenden Leitungen durch einen Verbraucher geschlossen sind. Die Richtung des Stromes wird nach der Dreifingerregel für
die rechte Hand bestimmt.
Nach dieser gehen Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger der rechten Hand, wenn
sie senkrecht zueinander gehalten werden, die Richtung von Ursache, Vermittlung und
Wirkung der Induktion an. Im schematischen Bild des Generators ist die Ursache die
durch die Drehung der Schleife entstehende Bewegung des unteren Leiterstückes nach
links(Daumen), die Vermittlung ist das Magnetfeld vom Nord- zum Südpol (Zeigerfinger),
die Wirkung aber der entstandene Induktionsstrom, der also unten nach hinten fließt (Mittelfinger). Im oberen Schleifenstück fließt der Strom nach vorn. Da jedes Schleifenstück
über einen Schleifering stets mit derselben Bürste verbunden ist, ändert der Strom nach jeder halben Umdrehung seine Richtung; er heißt deshalb Wechselstrom. Eine genauere Untersuchung zeigt, dass sich die Spannung wie die Sinusfunktion des Drehwinkels ändert.
Auf diesem Prinzip beruhen Wechselstromgeneratoren. Sie haben zur Erhöhung der
Spannung viele Leiterschleifen, die eine Wicklung auf dem mit konstanter Drehgeschwindigkeit rotierenden Anker bilden. Das Magnetfeld wird von einem mit Gleichstrom gespeisten Elektromagneten erzeugt.
Frequenz des Wechselstroms. Nach einer vollen Umdrehung des Ankers wiederholt sich der Spannungsverlauf in gleicher Weise. Die Zeitspanne, in der alle Spannungswerte einmal angenommen werden, heißt Periode. Sie setzt sich aus zwei Wechseln zusammen. Die Zahl der in einer Sekunde durchlaufenen Perioden heißt Frequenz und wird
in Hertz (Hz) angegeben. Der im Haushalt übliche Wechselstrom hat eine Frequenz von f
=50 Hz.
Effektivwert des Wechselstroms. Die von einem Gleichstrom I (Ampere) während
der Zeit t (Sekunden) in einem Widerstand der Größe r (Ohm) erzeugte Wärmemenge beträgt nach Joule Q=cl2rt (cal).Hier hat die Konstante c den Wert 0,239 cal/Ws. Die erzeug-
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te Wärmemenge ist also dem Quadrat der Stromstärke proportional. Die Formel gilt
grundsätzlich auch für Wechselstrom. Da sich der Wechselstrom jedoch periodisch ändert,
muss man zur Wechselstromstärke einsetzen. Dieser ist, wie man an Hand einer graphischen Darstellung leicht nachweisen kann, gleich I2/2, wobei man unter I den Spitzenoder Scheitelwert des Wechselstroms versteht. Zieht man hieraus die Wurzel, so ergibt
sich der quadratische Mittelwert, auch die effektive Stromstärke I e des Wechselstroms genannt:
I e =1/2√21
= 0,7071
sp
sp
Ein Wechselstrom mit dem Scheitelwert I hat die gleiche thermische Wirkung wie
ein Gleichstrom der Stromstärke. I e =1/2√21
. Das gleiche, was für den Strom gesagt
sp
wurde, gilt auch für die Spannung,
Die auf elektrischen Geräten (einschließlich Messinstrumenten) angegebenen Werte
für Wechselspannung und –Strom sind stets Effektivwerte.
Anstatt Gleich- und Wechselstrom hinsichtlich ihrer thermischen Wirkung zu vergleichen,
kann man auch ihre chemische Wirkung zum Ausgangspunkte eines Vergleichs nehmen.
Man kommt dann zum elektrolytischen Mittelwert I
= 0,6371sp.
el
, und es besteht jetzt die Beziehung I
el
Drehstrom
Erzeugung von Drehstrom. Als Drehstrom bezeichnet man drei um jeweils 120
o
phasenverschobene Wechselströme gleicher Spannung (Dreiphasenstrom), die miteinander
verkettet sind. Er wird „Drehstrom“ genannt, weil er magnetische Drehfelder erzeugen
kann. Die Drehspannungserzeugung ist der Wechselspannung ähnlich. Nur werden hier
auf dem Anker statt einer drei um 120o versetzte Spulen feststehend angeordnet, vor denen
ein homogenes Magnetfeld (M) mit konstanter Geschwindigkeit kreist. Die dadurch in den
Spulen induzierten Spannungen werden von drei Leiterpaaren abgenommen und können
drei getrennte Stromkreise versorgen.
Verkettung der Phasen. Vor Verkettung spricht man, wenn Felder oder Stromkreise in Wechselbeziehung zueinander stehen. Nach dem Induktionsgesetz besteht, z.B. eine
Verkettung zwischen einem elektrischen und einem magnetischen Feld. Verkettet man die
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