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ivanov666
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Файл:Deutsch für Elektriker. Учебное пособие
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Stromkreise dreier Akkuzellen von je 2 V, so stehen drei verschiedene Spannungen zur
Verfügung, und an Stelle von 6 Leitungen sind nur 4 nötig.
Auch die drei Phasen eines Drehstromgenerators werden verkettet; man verwendet
Stern- und Dreieckschaltung.
a) Sternschaltung. Die Anfänge der Spulen werden an je einen Phasenleiter angeschlossen und die Enden untereinander im Sternpunkt verbunden. Man spricht in diesem
Fall von einem Dreileitersystem in Sternschaltung. Wird jedoch der Sternpunkt ebenfalls
nach außen geführt, so erhält man ein Drehstromvierleitersystem. Der Stern- oder Mittelpunktleiter wird nur dann vom Strom durchflossen, wenn die Phasen ungleich belastet
sind. Der hierbei auftretende Ausgleichsstrom ist jedoch meist sehr gering, und der Querschnitt dieses Leiters kann deshalb kleiner sein.
b) Dreieckschaltung. Hier werden die drei Spulen zum Dreieck in Reihe geschaltet,
so dass der Anfang der einen mit dem Ende der anderen jeweils verbunden ist. So geschaltete Drehspannungserzeuger liefern ein Dreileitersystem in Dreieckschaltung.
Bezeichnet man die an den Enden einer Wicklung liegende Spannung mit Uw bzw.
den in der Wicklung fließenden Strom mit Iw und die zwischen zwei Phasenleitern liegende Spannung mit Up bzw. den im Phasenleiter fließenden Strom mit Ip, so ergeben sich für
Stern- und Dreieckschaltung folgende Werte:
Verkettung Spannung Strom
Stern U= 3 Uw Ip= Iw
Dreieck Up=Uw Ip =3 Iw
Die Sternschaltung mit Stern- oder Mittelpunktleiter ist zu bevorzugen, da sie gestattet, zwei verschieden große Spannungen U und Up anzunehmen. Die gebräuchlichstenWerte für Niederspannungsnetze sind 220/380 V.
Gleichstrom
Erzeugung von Gleichstrom. In einer in einem homogenen Magnetfeld rotierenden
Leitschleife wird ein Wechselstrom induziert. Verbindet man Anfang und Ende der Schleife mit je einer isolierten Lamelle eines Schleifrings (Kommutator), so fließt der Strom bei
geeigneter Bürstenstellung jeweils in die andere Bürste, wenn er seine Richtung ändert. An
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den Bürsten wird durch den Kommutator Gleichstrom entnommen, der allerdings in seiner
Stärke noch schwankt: pulsierender Gleichstrom. Durch mehrere gegeneinander versetzte
Wicklungen erhält man einen Strom, der durch Überlagerung der einzelnen positiven
Halbwellen in umso geringeren Grenzen schwankt, je größer die Anzahl der Wicklungen
ist.
Gleichstromgenerator. Gleichstromgeneratoren werden allgemein als Außenpolmaschinen gebaut. Man benennt sie grundsätzlich nach der Schaltung von Anker und
Feldwicklung:
1) fremderregter Generator. In dem durch Änderung des Erregerstroms die erzeugte Spannung reguliert werden kann; 2) Reihenschlussgenerator, in dem die Spannung mit der Belastung steigt; 3) Nebenschlussgenerator, der für wechselnde Belastung gut geeignet ist; 4)
Doppelschlussgenerator, ein Generator für stark schwankende Belastung.
Urspannung und Klemmenspannung
Jede Spannungsquelle wird durch ihre Urspannung charakterisiert. Legt man jedoch
ein Voltmeter an die Anschlüsse einer Spannungsquelle, der ein Strom entnommen wird,
so zeigt das Instrument stets eine Spannung an, die geringer als die Urspannung ist. So beträgt z.B. die Urspannung einer Taschenlampen Flachbatterie 4,5 V: sobald die Lampe
brennt, sind aber an den Batterieanschlüssen nur noch etwa 3,5 V zu messen.
Natürlich ist keine Spannung „verschwunden“. Wir haben bisher lediglich unberücksichtigt gelassen, dass auch die Spannungsquelle selbst einen gewissen Widerstand
aufweist. Man nennt ihn den „inneren Widerstand“ R1. Diesen Widerstand müssen die
Elektronen bei ihrem ständigen Kreislauf ebenfalls überwinden, und dazu wird bereits ein
Teil des Bewegungsantriebs, also der Urspannung, benötigt. Die an den Anschlüssen der
Spannungsquelle gemessene Spannung, die „Klemmenspannung“, unterscheidet sich um
die anR1 auftretende Spannung, „den inneren Spannungsabfall“, von der Urspannung:
Klemmenspannung = Urspannung – innerer Spannungsabfall
Um den inneren Widerstand der Spannungsquelle bei Berechnungen berücksichtigen zu können, denkt man sich eine widerstandslose Spannungsquelle der Urspannung E
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mit dem Widerstand R1 in Reihe geschaltet. Mit Hilfe dieser „Ersatzschaltung“ und des
Ohmschen Gesetzes kann dann auch der Spannungsabfall an R1 bestimmt werden.
Wird die Spannungsquelle nicht durch einen Stromverbraucher belastet, tritt kein
innerer Spannungsabfall auf; denn es fließt kein Strom. In diesem Fall, beim „Leerlauf“,
stimmen Urspannung und Klemmenspannung überein.
Ist der Außenwiderstand vernachlässigbar klein, wird die Stromstärke ausschließlich
durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle bestimmt. Der Strom erreicht in diesem
Fall – man nennt ihn Kurzschluss – eine sehr große Stärke. Die meisten Spannungsquellen
werden durch einen Kurzschluss zerstört.
Reicht die mit einer Spannungsquelle zu erzielende Spannung nicht aus, kann man mehrere Spannungsquellen hintereinander schalten, indem man jeweils einen Pluspol mit dem
Minuspol der folgenden Spannungsquelle verbindet. Dabei addieren sich die Urspannungen und die Innenwiderstände der Spannungsquellen, der innere Spannungsabfall nimmt
mit wachsender Stromstärke rasch zu. Daher wird die Hintereinanderschaltung bevorzugt
dort angewandt, wo relativ kleine Stromstärken benötigt werden.
Bei der Parallelschaltung von Spannungsquellen werden jeweils die gleichnamigen
Anschlüsse miteinander verbunden. Die Innenwiderstände der einzelnen Spannungsquellen liegen parallel, der Gesamtwiderstand einer solchen „Batterie“ ist daher sehr gering.
Ihre Spannung entspricht der der einzelnen Spannungsquelle (wobei wir annehmen, dass
alle Spannungsquellen die gleiche Urspannung haben); dafür können einer solchen Batterie große Stromstärken ohne wesentlichen Klemmenspannungsverlust entnommen werden.
Schließlich ist es möglich und üblich, Hintereinander – und Parallelschaltung miteinander
zu kombinieren.
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Leidener Flasche
Die Leidener Flasche, auch Kleistsche Flasche oder Kondensationsflasche ist die älteste Bauform eines Kondensators. Auf der Innen- und Außenseite eines Glasgefäßes (beispielsweise einer Flasche) sind Metallbeläge angebracht; das Glas stellt den Isolator dar.
Leidener Flaschen besitzen eine hohe Spannungsfestigkeit und werden daher vor allem als
Hochspannungskondensatoren eingesetzt.
Entdeckung
Das Prinzip der Leidener Flasche wurde unabhängig voneinander am 11. Oktober
1745 von dem Domdechanten Ewald Georg von Kleist in Cammin (Pommern) und 1746
von dem Physiker Pieter van Musschenbroek in Leiden entdeckt, als sie bei Laborversuchen mit entsprechenden Anordnungen von Gläsern und Metallteilen elektrische Stromschläge erhielten.
Von verschiedenen Dokumenten wird auch Andreas Cunaeus (1712-1788) als Miterfinder und Freund Musschenbroeks erwähnt, andere setzen Musschenbroek durch den
in Klammern angehängten Namen Cunaeus mit diesem gleich.
Aufbau
Kleist hatte bei Experimenten einen Nagel in eine alkoholgefüllte Flasche gesteckt
und an eine Elektrisiermaschine angeschlossen. Beim späteren Herausziehen des Nagels
erhielt er einen kräftigen elektrischen Schlag. Musschenbroek machte eine ähnliche Erfahrung. Verschiedene Gelehrte wiederholten den Versuch und variierten die Anordnung. Johann Heinrich Winckler verlegte den Leiter von der Mitte an die Innenwand der Flasche,
umgab sie mit einer Ummantelung aus Metall und experimentierte mit verschiedenen
Flüssigkeiten wie Wasser, geschmolzener Butter und Wein. Ihre endgültige Form erhielt
die Leidener Flasche 1748 durch die beiden Londoner Ärzte William Watson und John
Bevis. Sie verzichteten beide auf die Flüssigkeit und verkleideten die Flaschenwände innen und außen mit Stanniol. Der Danziger Physiker Daniel Gralath verband erstmals mehrere Leidener Flaschen zu einer Reihe und konnte so die Wirkung erhöhen.
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Die Kapazität von typischen Leidener Flaschen (Glas mit elektrolytisch aufgebrachten Kupferüberzügen) in Demonstrationsexperimenten beträgt 10 − 8 bis 10 − 9 Farad.
Erste Anwendungen
Bei den damals beliebten öffentlichen Demonstrationen der Elektrizität wurde auch
der „Kleistsche Stoß“ vorgeführt, bei dem einer Menschenkette ein Schlag aus einer
Leidener Flasche versetzt wurde, wodurch die Versuchspersonen in Zuckungen verfielen.
Georg Christoph Lichtenberg schrieb in einem Physiklehrbuch dazu: „Zu Paris glaubte
man vor einigen Jahren gefunden zu haben, dass der Stoß immer bey 'frigidis et
impotentibus' aufhöre. Der Graf von Artois, der davon hörte, berief dazu die Castraten der
Oper; und man fand die Beobachtung falsch. Auf diese Weise ist die Elektrisiermaschine
um die Ehre gekommen, dereinst als ein nützliches Instrument in den VersammlungsSälen der Consistorien und Ehegerichte zu prangen.“
Michael Faraday machte darauf aufmerksam, dass zwischen einem geladenen leitfähigen Teil und einer Leidener Flasche kein prinzipieller Unterschied besteht: Wird ein Metallteil isolierend in der Luft gehalten und beispielsweise positiv geladen, so entsteht in der
Umgebung, etwa den Wänden eines Zimmers, durch Influenz negative Ladung. Die Zimmerwände bilden dann gewissermaßen die äußere Belegung der Flasche, die zwischenliegende Luft die sehr dicke, isolierende Schicht. Die Leidener Flasche unterscheidet sich nur
durch die größere elektrische Kapazität vom einfachen Leiter.
Kondensator (Elektrotechnik). Prinzipdarstellung eines Kondensators mit Die-
lektrikum
Ein Kondensator (von lateinisch condensare, deutsch „verdichten“) ist ein passives
elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, elektrische Ladung und damit zusammenhängend Energie zu speichern. Er besteht aus zwei elektrisch leitenden Flächen in meist geringem Abstand, den Elektroden. Dazwischen befindet sich immer ein Bereich mit isolierender Eigenschaft, ein Dielektrikum.
Die einfachste Bauform des Kondensators besteht aus zwei glatten, parallelen Platten mit elektrischen Anschlüssen. Neben dem Kondensator zeigt jedes reale elektrische
Bauelement ebenfalls kapazitive Effekte.
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Kondensatoren werden in vielen Anlagen der Elektrik und in nahezu jedem elektronischen
Gerät eingesetzt. Sie realisieren beispielsweise elektrische Energiespeicher, Blindwiderstände oder frequenzabhängige Widerstände; spezielle Bauformen werden als Sensor verwendet. Bei besonderen Konfigurationen sind nicht lineare Kondensatoren bekannt.
Als Kapazitätsnormal wird ein elektrischer Kondensator bezeichnet, der zur Normierung dient.
Begrifflich abgegrenzt werden Anordnungen, bei denen die kapazitive Kopplung
zweier Elektroden nicht das unmittelbare Ziel oder unerwünscht ist. Begriffe dieser sogenannten parasitären oder begleitenden Kapazitäten sind zum Beispiel „Streukapazität“,
„kapazitive Störeinkopplung“ oder „Leitungskapazität“. Ebenfalls nicht zu den Kondensatoren wird eine Reihe von Aktoren gezählt wie piezoelektrische Wandler, elektrostatische
Lautsprecher, Ablenkplatten und Bauelemente der Elektrooptik. Diese haben zwar einen
ähnlichen Aufbau, der jedoch unmittelbar nur der Erzeugung eines elektrischen Feldes
dient.
Funktionsweise
Ein elektrischer Stromfluss durch einen Kondensator hindurch lädt eine der Elektroden positiv, die andere negativ auf. Daher die Sprechweise, dass ein Kondensator Ladung
speichert. Zwischen den beiden Elektroden des Kondensator fließt der Strom als Verschiebungsstrom, der mit einer entsprechenden Änderung der elektrischen Feldstärke einhergeht. Ein weiterer Sromfluss gegen die sich aufbauende Spannung erhöht die innere Energie des Kondensators. Wird der Kondensator von der Stromquelle getrennt, so bleiben
Energie und Ladungen erhalten, die Spannung bleibt konstant. Wird durch Umkehr der
Stromrichtung Energie entnommen, sinkt die Spannung wieder.
Ist der Raum zwischen den Elektroden mit einem Dielektrikum ausgefüllt, so besteht der Verschiebungsstrom zusätzlich zu dem Anteil durch die Änderung der Feldstärke
aus sich tatsächlich bewegenden Ladungen des Materials. Diese Ladungen sind aber nicht
frei beweglich, sodass das Material polarisiert wird. Bei kleinen Feldstärken wächst die
Polarisation linear. Dann wird der Einfluss des Isolators beschrieben durch seine Die
Elektrizitätszahl und die gespeicherte Ladung ist proportional zur Spannung. Die Proportionalitätskonstante wird als Kapazität bezeichnet; sie ist das wesentliche Merkmal eines
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Kondensators. Je größer die Kapazität ist, desto mehr Ladung und Energie kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern. Wichtig ist die Maximalspannung, die
ein Kondensator zwischen seinen Elektroden ertragen kann.
Leidener Flasche
Die Leidener Flasche ist die älteste Bauform eines Kondensators (Kapazität etwa 5
nF). Sie besteht aus einem Glasgefäß, das innen wie außen mit Metallfolie, meist aus
Aluminium, belegt ist. Das Glas wirkt als Isolator, später „Dielektrikum“ genannt. Das
Prinzip der Leidener Flasche wurde unabhängig voneinander 1745 von dem Domdechanten Ewald Jürgen Georg von Kleist in Cammin (Pommern) und ein Jahr später von dem
Physiker Pieter van Musschenbroek in Leiden gefunden, als sie bei Laborversuchen mit
Anordnungen von Gläsern und Metallteilen elektrische Stromschläge erlitten.
Die Leidener Flasche und ähnliche Laborgeräte wurden in der Folge vornehmlich
zur publikumswirksamen Demonstration von Stromschlägen (auch als „Kleistscher Stoß“
bekannt geworden) eingesetzt, bei später zunehmenden Kenntnissen über das Wesen der
Elektrizität auch als Stromquelle für fortgeschrittenere Experimente: Benjamin Franklin
verband eine Leidener Flasche über eine Metallschnur mit einem Drachen, den er in den
Himmel steigen ließ. Es gelang ihm mit diesem gefährlichen Experiment, Ladung von
Gewitterwolken auf die Leidener Flasche zu übertragen. Er prägte den Begriff „electrical
condenser“.
Weiterentwicklung
Ein verbesserter Kondensator wurde 1775 durch Alessandro Volta (1745–1827) erfunden, er nannte ihn „electrophorous“ (Elektrophor, Elektrizitätsträger). Er bestand aus
zwei Metallplatten, die durch eine Ebonitschicht gegeneinander isoliert waren. Man kann
diese Anordnung bereits als Prototyp moderner Kondensatoren betrachten. Der Einsatz
besserer Dielektrika führte später zu einer Reduzierung der Baugröße. Etwa 1850 wurde
Glimmer, ein natürlich vorkommendes Mineral, in Scheiben geschnitten und als Isolator
verwendet; kommerziell wurden diese Kondensatoren ab der Zeit des ersten Weltkrieges
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hergestellt. Gewickelte Papierkondensatoren mit Metallfolienbelägen sind seit 1876 in
Gebrauch.
Kondensatoren, die durch den chemischen Aufbau eines äußerst dünnen Dielektrikums aus nichtleitendem Aluminiumoxid auf einer Aluminium-Anode und Verwendung
eines flüssigen Elektrolyten zu Kondensatoren mit höherer Kapazität führten, die späteren
„Elektrolytkondensatoren“, wurden 1896 von Charles Pollak zum Patent angemeldet, sie
wurden anfangs als Siebkondensator zur Unterdrückung von Brummgeräuschen in Telefonnetzen benutzt.
Seit etwa 1900 wurde auch Porzellan als Dielektrikum in Kondensatoren verwendet.
Erst in den 1930-er Jahren erfolgte durch die Erforschung weiterer keramischer Werkstoffe als Ersatz für Porzellan und Glimmer die Entwicklung der Keramikkondensatoren.
Mit der Entwicklung hochwertig isolierender Kunststofffolien aus dem Bereich der
organischen Chemie nach dem Zweiten Weltkrieg begann die Industrie, das Papier in den
Metall-Papierkondensatoren durch dünnere und spannungsfestere Kunststofffolien zu ersetzen, aus denen sich eine breite Palette von unterschiedlichen KunststoffFolienkondensatoren entwickelte.
Ebenfalls nach dem Zweiten Weltkrieg, ab etwa 1950, wurde bei der General
Electric in den USA mit der Entwicklung von Tantal-Elektrolytkondensatoren begonnen.
Hier gelang es, nicht nur eine Miniaturisierung durch eine erheblich höhere Kapazität pro
Bauvolumen gegenüber den bislang bekannten Kondensatoren zu erreichen, sondern mit
der Entwicklung eines festen Elektrolyten konnte außerdem die Langzeitstabilität von
Elektrolytkondensatoren deutlich verbessert werden.
Eine nochmals deutliche Kapazitätssteigerung gelang mit dem von General Electric
1957 patentierten „Low voltage electrolytic capacitor“, der durch SOHIO und ab 1971
durch NEC zu einem marktreifen Bauelement weiterentwickelt wurde und später die treffende Bezeichnung „Doppelschicht-Kondensator“ erhielt.
Eine neuere Entwicklung sind Silizium-Kondensatoren. Diese resultieren aus der
großen Erfahrung der Halbleiterindustrie mit der Strukturierung von Silizium und bieten
dem Anwender frequenzstabile Kapazitätswerte bis in den Gigahertz-Bereich.
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In den letzten Jahren erfolgte bei allen dafür geeigneten Kondensatorarten eine Entwicklung zu immer kleinerem Bauvolumen und hin zu oberflächenmontier-baren (SMD)
Kondensatoren. Darüber hinaus wurden speziell bei Aluminium- und TantalElektrolytkondensatoren durch Einführung von neuen Polymer-Elektrolytsystemen eine
erhebliche Erhöhung der Elektrolyt-Leitfähigkeit und entsprechend geringere Verlustwiderstände erreicht.
Die Miniaturisierung in der Elektronik wurde nicht zuletzt auch durch Miniaturisierung bei den Kondensatoren erreicht. Die Volumeneffizienz eines Keramikkondensators
beispielsweise konnte durch Weiterentwicklung in der Fertigungstechnik hin zu MLCCKeramikkondensatoren bei gleichem C/V-Wert um etwa den Faktor 500 gesteigert werden.
Kondensatoren werden in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt, sie hatten 1998 ein
Marktvolumen von 9,2 Milliarden Dollar, wobei 38 % Keramikkondensatoren und 28 %
Elektrolytkondensatoren einnahmen. Der Rest verteilte sich überwiegend auf Folien- und
Papierkondensatoren.
Aktuelle (2009) Forschungen beschäftigen sich unter anderem mit neuen Oberflächenstrukturierungen der Elektroden. Beispielsweise lässt sich durch eine Nanostruktur in
Form von Milliarden nebeneinander liegender kleiner Löcher in einer dünnen Aluminiumschicht, beschichtet mit Titan-Nitrid/Aluminiumoxid/Titan-Nitrid als kapazitiver Aufbau,
die Leistungsdichte eines Nanokondensators, gemessen in W/kg, um mehr als das Zehnfache gegenüber Elektrolytkondensatoren vergrößern und erreicht damit eine Speicherfähigkeit in der Größenordnung von Doppelschichtkondensatoren, ohne deren Nachteil, die begrenzte Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit aufzuweisen.
16 Wichtige SI – Einheiten der Elektrotechnik
Ampere (A) ist die SI-Basiseinheit der elektrischen Stromstärke. Der Name erinnert
an den französischen Physiker André Marie Ampère, der mit seinen wissenschaftlichen
Experimenten die Theorie des Magnetismus begründete. 1 Ampere ist die Stärke eines
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zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der - durch zwei im Vakuum im Abstand 1
Meter parallel angeordnete, geradlinige, unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend - zwischen diesen Leitern auf je 1 Meter Leiterlänge die Kraft 2*10^-7 Newton hervorruft.
Coulomb (C) ist die abgeleitete SI-Einheit der elektrischen Ladung und der Elektrizitätsmenge. Die Bezeichnung erinnert an den französischen Physiker und Ingenieur Charles Augustin de Coulomb. 1 Coulomb ist die Elektrizitätsmenge, die bei konstantem Strom
der Stärke 1 Ampere in der Zeit 1 Sekunde durch den Querschnitt des Leiters fließt.
1 C = 1 A s
Farad (F) ist die abgeleitete SI-Einheit der elektrischen Kapazität. Sie trägt den
Namen des englischen Physikers Michael Faraday, der die elektromagnetische Induktion
entdeckte. 1 Farad ist die Kapazität eines Kondensators, der durch die Elektrizitätsmenge 1
Coulomb auf die Spannung 1 Volt aufgeladen wird.
Henry (H) ist die abgeleitete SI-Einheit der Induktivität. Die Benennung dieser
Maßeinheit erfolgte zu Ehren des amerikanischen Physikers Joseph Henry, der den ersten
funktionstüchtigen Elektromagneten baute und die amerikanische Wetterberichterstattung
begründete. 1 Henry ist die Induktivität einer geschlossenen Windung, die, von einem
Strom der Stärke 1 Ampere durchflossen, im Vakuum den magnetischen Fluss 1 Weber
erzeugt.
Hertz (Hz) ist die abgeleitete SI-Einheit für die Frequenz. Sie trägt den Namen des
deutschen Physikers Heinrich Hertz, dem erstmals die Erzeugung elektromagnetischer
Wellen gelang. 1 Hertz ist gleich der Frequenz eines periodischen Vorganges mit der Periodendauer einer Sekunde.
Joule (J) ist die abgeleitete SI-Einheit der Arbeit, der Energie und der Wärmemenge. Die Wahl des Namens erfolgt zu Ehren des englischen Physikers James Prescott Joule,
der das mechanische Wärmeäquivalent bestimmte und das Gesetz der elektrischen Stromwärme formulierte. 1 Joule ist die Arbeit, die verrichtet wird, wenn sich der Angriffspunkt
der Kraft 1 Newton in Richtung der Kraft um 1 Meter verschiebt.
Newton (N) ist die abgeleitete SI-Einheit der Kraft. Die Namensgebung erfolgte zu
Ehren des englischen Physikers, Mathematikers und Astronomen Sir Isaac Newton. Er
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