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Induktionsheizung

Induktionsheizung

Eine Induktionsheizung dient der Erwärmung eines (Metall)Körpers durch magnetische Induktion. Durch eine Spule, die mit Wechselstrom beaufschlagt wird, wird ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, das in einem elektrisch leitendem Körper einen Wechselstrom induziert. Dieser im Körper induzierte Strom verursacht wegen des elektrischen Widerstandes eine Erwärmung des Körpers an den Stellen des Stromflusses. Dadurch ergeben sich mehr oder weniger nützliche Erwärmungseffekte:
- Der Metallkörper kann durch Formung des Induktors bzw. der benutzten Frequenz (Eindringtiefe) gezielt an bestimmten Stellen erwärmt werden.
- Die Wärme entsteht sofort und unmittelbar im Körper selbst, bzw. in dessen Inneren, muss also nicht durch Wärmeleitung dorthin geleitet werden.
- Nichtleitende Materialien werden nicht erwärmt.
- Elektrisch gut leitende Materialien (Aluminium, Kupfer) lassen sich, wegen des geringen elektrischen Widerstandes kaum erwärmen.

Anwendungen

- Induktionsherd
- Härteöfen (gezielte Erwärmung bestimmter Bereiche, z. B. nur die Oberfläche).
- Erwärmung von Hülsen zur Herstellung bzw. Trennung von Schrumpfverbindungen.
- Linienförmige Erwärmung von Fahrzeugteilen um darauf aufgebrachte Kleber und Dichtungen zu erwärmen (Abbinden, Aushärten)
- Zonenschmelzverfahren

Siehe auch

- Induktionsofen Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Magnetismus Kategorie:Wärmeenergietechnik

Magnetismus

Magnetismus ist ein fundamentales physikalisches Phänomen, das sich als anziehende und abstoßende Kraft zwischen Magneten, magnetisierbaren Gegenständen und stromdurchflossenen Leitern äußert. Alle Erscheinungsformen von Magnetismus können letztlich auf die Bewegung von elektrischen Ladungen oder den Spin von Elementarteilchen zurückgeführt werden. Der Magnetismus gehört zum Elektromagnetismus, welche eine der vier Grundkräfte der Physik ist. :Dieser Artikel erklärt derzeit (per Weiterleitung) auch die Begriffe Magnetfeld, Magnetisierung. Ergänzende Informationen finden sich im Artikel Magnet. Der Elektromagnetismus wird derzeit im Artikel Elektrodynamik abgehandelt.
Überblick

Magnetismus als fundamentale Naturkraft
Magnetismus ist zu unterscheiden von anderen Naturkräften wie der Massenanziehung (Gravitation) und der Anziehung oder Abstoßung zwischen elektrisch geladenen Körpern (Elektrostatik). Während die Gravitation zwischen allen (massebehafteten) Körpern und die elektrische Anziehung oder Abstoßung zwischen allen geladenen Körpern wirkt, ist der Magnetismus in der Hauptsache auf einige wenige Materialien, wie insbesondere Eisen, Kobalt und Nickel, beschränkt (Ferromagnetismus); der schwache Magnetismus der meisten übrigen Materialien (Diamagnetismus, Paramagnetismus) ist nur mit empfindlichen Messgeräten nachweisbar. Neben dem statischen Magnetismus aufgrund von Materialeigenschaften gibt es auch die dynamischen magnetischen Effekte (Elektrodynamik) im (Induktionsfeld) oder (Nahfeld) stromdurchflossener Leiter oder im (Strahlungsfeld) oder (Fernfeld) elektrischer Antennen. Dabei treten elektrische und magnetische Wechselfelder immer gleichzeitig auf. Ein tieferer Unterschied zwischen der Gravitation auf der einen Seite und den elektrischen und magnetischen Kräften auf der anderen Seite besteht darin, dass sich Massen stets gegenseitig anziehen, wohingegen sich elektrische Ladungen und magnetische Pole sowohl anziehen als auch abstoßen können, was man durch ein Vorzeichen zum Ausdruck bringt (positive und negative Ladungen; magnetischer Süd- und Nordpol). Der grundlegende Unterschied zwischen elektrischen und magnetischen Kräften besteht darin, dass man elektrische Ladungen räumlich trennen kann (Monopole als Quellen und Senken von Feldlinien), wohingegen auch der kleinste Magnet stets zwei Pole aufweist (Dipol).
Magnetismus als Fernwirkung
Magnetismus ist eine Wechselwirkung zwischen räumlich getrennten Körpern, also eine Fernwirkung. In der physikalischen Theorie arbeitet man mit der Vorstellung, dass Fernwirkungen über Felder vermittelt werden. Felder Felder Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen. Ein Magnet ruft ein magnetisches Feld (=Magnetfeld) hervor und wird von diesem durchströmt; seine Pole sind die Oberflächenbereiche, in denen der überwiegende Teil des Magnetfeldes ein- beziehungsweise austritt. Die Berechnung von Feldlinien in der Umgebung eines Magneten ist Aufgabe der Magnetostatik. Außer durch magnetische Materialien werden Magnetfelder durch elektrische Ströme verursacht; umgekehrt erfahren stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kräfte. Dieser Elektromagnetismus wird unter anderem in Elektromagneten, Transformatoren, Motoren, Generatoren sowie bei der Datenspeicherung technisch ausgenutzt. Darüberhinaus können sich oszillierende elektromagnetische Felder von Materie ablösen und als Wellen im Raum ausbreiten: Zu diesen elektromagnetischen Wellen zählen Rundfunksignale, Mikrowellen, UV- und Röntgenstrahlung ebenso wie sichtbares Licht.
Magnetfelder

Feldlinien
Magnetische Feldlinien können durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren. suspendieren In der Elektrostatik verlaufen Feldlinien von positiven zu negativen Ladungen. In der Magnetostatik hingegen gibt es keine Ladungen (magnetische Monopole sind mathematisch denkbar; alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz). Somit ist das Magnetfeld «quellenfrei»; magnetische Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende, sondern verlaufen als geschlossene Bahnen. Die Richtung der Feldlinien stimmt in jedem Punkt mit der Richtung des Magnetfeldes überein. Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist ein Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.
Magnetische Kraftwirkung
In der Elektrostatik ist die Wirkung des Feldes leicht zu verstehen: eine positive Probeladung (eine sehr kleine Ladung, die die Wirkung eines Feldes erfährt, ohne dieses selbst nennenswert zu verändern) wird in Richtung der Feldlinie beschleunigt, unabhängig davon, ob die Probeladung vorher in Ruhe war oder nicht. Das magnetische Feld hingegen wirkt nicht auf ruhende, sondern nur auf bewegte Ladungen (Lorentzkraft) oder auf Magnete und magnetisierbare Körper. Im einfachsten Fall kann man diese Probekörper als Dipole beschreiben (siehe magnetischer Dipol). Das Magnetfeld übt auf den Probekörper ein Drehmoment aus und richtet ihn parallel zu den Feldlinien aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, in dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet. Die Anziehung zwischen zwei Stabmagneten ist hingegen ein komplizierterer Effekt, der durch den Gradienten des Magnetfeldes verursacht wird: zwei entgegengesetzte Pole ziehen sich an, weil in ihrer Nähe die Feldlinien dichter sind als an den entgegengesetzten Polen.
Größen und Einheiten
Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Größen ausgedrückt werden, die magnetische Feldstärke (Einheit: A/m) und die magnetische Flussdichte (Einheit Tesla). Während die magnetische Feldstärke bei Berechnungen mit elektrischen Strömen von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgrößen sind über einen materialabhängigen Umrechnungsfaktor, der Permeabilität genannt wird, miteinander verknüpft. Im Vakuum ist dies eine Konstante, die sich aus der Wahl des Einheitensystems ergibt.
Elektromagnetismus
Magnetische Kräfte werden durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt. Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte. Für eine abstraktere Darstellung des Elektromagnetismus siehe den Artikel Elektrodynamik. Elektrodynamik Eine konstante Bewegung von Ladungsträgern bewirkt ein magnetisches Feld, das folgenden Regeln folgt:
- Für einen elektrischen Strom, der durch einen Draht fließt, lässt sich die Richtung des Magnetfelds mit Hilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmen: Der Leiter wird so umfasst, dass der abgespreizte Daumen die konventionelle/technische Stromrichtung (entgegen dem Elektronenfluss) anzeigt, dann zeigen die Finger die Richtung des entstehenden Magnetfeldes an.
- Für einen Kreisstrom gilt: Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung des Elektronenflusses gekrümmt sind, zeigt der Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols.
- Eine andere Regel hierzu ist die so genannte Rechtsschraubenregel.
- Messung von magnetischen Feldern ist u.a. mit Hallsonden möglich. In elektrischen Leitern, die sich durch ein magnetisches Feld bewegen, wird eine Spannung und gegebenenfalls ein Stromfluss induziert. Zeitlich veränderliche Bewegung von Ladungsträgern resultiert in einer differenzialen Veränderung im elektrostatischen und magnetischen Feld ihrer Umgebung. Man spricht von elektromagnetischen Wellen wenn die Frequenz der Veränderung sich in gegebenen Medien ausbreitet. Licht (egal ob sichtbar oder unsichtbar) und Rundfunk sind die bekanntesten Formen dieses Prinzipes. Aber auch in der Metallverarbeitung (Induktionsöfen) und zum Erhitzen von sogar nichtleitenden Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).
Magnetismus in Materie
Der Magnetismus von Festkörpern hat seinen Ursprung im Magnetismus der Atome/Ionen und Elektronen, aus denen er aufgebaut ist. Im engeren Sinne spricht man nur dann von einem magnetischen Material, wenn die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet sind, dass sie sich zumindest nicht vollständig gegenseitig kompensieren, der Stoff also eine makroskopische Magnetisierung aufweist. Bekannte Beispiele sind die ferromagnetischen Metalle Nickel und Kobalt oder auch das Mineral Magnetit. Aber auch wenn ein Stoff keine makroskopische Magnetisierung aufweist, kann er von Magnetfeldern beeinflusst werden; solche Effekte sind in der Regel jedoch viel zu schwach, um sie im Alltag beobachten zu können. Die Magnetochemie, ein Teilbereich der Physikalischen Chemie untersucht die magnetischen Eigenschaften von Substanzen.
Magnetisches Moment von Elementarteilchen
Elementarteilchen besitzen ein jeweils charakteristisches Magnetisches Moment $\mu$ .
Magnetisches Moment von Atomen
Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich zusammen aus dem Beitrag der Elektronenhülle (Hüllenmoment), und dem im allgemeinen viel schwächeren Kernbeitrag (Kernmoment). Zum Hüllenmoment tragen das Bahnmoment, das mit dem Bahndrehimpuls der Elektronen verknüpft ist, und das durch den Elektronenspin bestimmte Spinmoment bei. Die Summe der magnetischen Momente der Elektronen einer voll gefüllten (Sub-)Schale ergibt jeweils null, sodass Atome, die keine teilgefüllten Schalen besitzen, kein permanentes Hüllenmoment aufweisen. Im äußeren Magnetfeld wird jedoch ein magnetisches Moment induziert, das seiner Entstehung entgegenwirkt (abstoßende Kraft im inhomogenen Magnetfeld). Atome mit dieser Eigenschaft nennt man diamagnetisch. Atome mit teilgefüllten Schalen weisen hingegen ein permanentes Hüllenmoment auf. Solche Atome heißen paramagnetisch. Auch wenn das Kernmoment sehr klein ist, lässt es sich nicht nur nachweisen (NMR, "Nuclear Magnetic Resonance" = Kernmagnetische Resonanz), sondern auch praktisch anwenden (z.B. Kernspintomografie).
Magnetismus von Festkörpern
Beim Magnetismus von Festkörpern handelt es sich um ein kooperatives Phänomen. Selbst wenn die Bausteine (Atome, Ionen, quasifreie Elektronen), aus denen der Festkörper aufgebaut ist, nichtverschwindende magnetische Momente tragen, weisen nur wenige Materialien eine makroskopische Magnetisierung auf. In der Regel sind die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet, dass sie sich gegenseitig kompensieren. Der Grund dafür ist, dass die Valenzelektronen, die die magnetischen Eigenschaften der Atome bestimmen, nun zur chemischen Bindung beitragen. Bei der Verteilung der Elektronen auf die neuen Bindungszustände wird die gegenseitige Orientierung der Elektronen durch die Austauschwechselwirkung bestimmt. Diese ist in der Regel für eine parallele Ausrichtung der magnetischen Momente energetisch ungünstig. Eine Ausnahme davon stellen z.B. die Übergangsmetalle Eisen, Nickel und Kobalt dar. Solche Stoffe nennt man ferromagnetisch (von lat. ferrum, Eisen). Ab einer bestimmten Temperatur, der sog. Curie-Temperatur (nach Pierre Curie und Marie Curie, Nobelpreis Physik 1903), überwiegt die thermische Energie die Energie der Austauschwechselwirkung, und die ferromagnetische Ordnung wird aufgebrochen. Der Festkörper geht dann in die paramagnetische Phase über. Zu Domänen im Ferromagneten siehe auch Ferromagnetismus. Die ferromagnetische Ordnung ist ein Spezialfall der magnetischen Ordnung. Neben dem ungeordneten Zustand gibt es noch andere Formen der magnetischen Ordnung, darunter Antiferromagnetismus und Spindichtewellen. Eine graphische Darstellung des Austauschintegrals ist durch die Bethe-Slater-Kurve gegeben. In dieser graphischen Darstellung kann man erkennen, welche Stoffe ferromagnetisch, antiferromagnetisch oder paramagnetisch sind.
Magnetismus in der Biologie
Magnetische Wechselfelder können über Induktion elektrische Ströme im Gewebe auslösen und können so einen (schwachen) Einfluß auf das Nervensystem haben. Beispielsweise sind bei entsprechenden Feldern sogenannte Magnetophosphene, gemeint sind optische Sinneswahrnehmungen, zu beobachten. Auch der motorische Cortex (Großhirn) kann derartig mit Hilfe der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) stimuliert werden, daß es zu unwillkürlichen Muskelkontraktionen kommt. Des weiteren ist seit langem bekannt, daß magnetische Wechselfelder die Sekretion von Hormonen (Beispiel Melatonin) beeinflussen können. Hier fehlt z.B. ein Verweis auf die Orientierung von Vögeln mittels des Erdmagnetfelds. Siehe dazu den Artikel Erdmagnetfeld Der Arzt Franz Anton Mesmer entwickelte eine Theorie, die 1784 von der französischen Akademie der Wissenschaften geprüft und verworfen wurde, nach der ein Fluid, das Mesmer als Magnetismus animalis bezeichnete, von Mensch zu Mensch übertragbar sei und bei der Hypnose und bestimmten Heilverfahren (Mesmersche Streichungen) eine Rolle spielen sollte.
Magnetismus als Metapher
Umgangssprachlich wird der Begriff Magnetismus auch für menschliche Verhaltensweisen gebraucht. Man spricht davon, dass jemand von einer Person oder Sache magnetisch angezogen wird. Ein "Zuschauermagnet" ist eine Sache, bei der die Leute stehen bleiben und sie sich ansehen. Wenn jemand eine Person liebt und immer zu ihr hin will, sagt man auch: "Sie/Er zieht ihn/sie magnetisch an".
Siehe auch

- Durchflutung
- Johann Ulrich Wirth
- Elementarmagnet
Weblinks

- [http://www.mineralienatlas.de/phpwiki/index.php/Magnetismus Mineralienatlas (Magnetismus)]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph07_g8/materialseiten/05_magnetismus.htm Versuche und Aufgaben zum Magnetismus]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m02_magnetik.htm Versuche und Aufgaben zum Magnetfeld] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Mineralogie Kategorie:Physik Kategorie:Magnetismus ja:磁性

Induktion (Elektrotechnik)

Unter elektromagnetischer Induktion versteht man das Entstehen einer elektrischen Spannung in einem Leiter (Draht), den ein veränderliches Magnetfeld umschließt. Dabei ist es unerheblich, ob sich der Leiter im Magnetfeld bewegt, oder sich dieses um den Leiter ändert. Die Induktion wurde von Michael Faraday entdeckt bei dem Bemühen, die Funktionsweise eines Elektromagneten ("Strom erzeugt Magnetfeld") umzukehren ("Magnetfeld erzeugt Strom"). Die Induktionswirkung wird technisch vor allem in der "Stromerzeugung" (Generator) und für Transformatoren genutzt.

Induktion

Es gibt zwei verschiedene Anschauungen für Induktion. Die Erste erklärt die Induktion mithilfe der Lorentzkraft. Die zweite erklärt sie mithilfe des Modells des magn. Flusses. Letztere Anschauung ist allerdings weitaus leichter zu verstehen und verdeutlicht die Induktion besser.

Induktionsspannung durch Bewegen eines Leiters in einem Magnetfeld

Wenn ein Leiter relativ zum Magnetfeld bewegt wird, entsteht eine Induktionsspannung. Man erreicht eine maximale Spannung, wenn sich der Leiter senkrecht zum Magnetfeld bewegt (siehe auch Rechte-Hand-Regel). Da die Geschwindigkeit und die magnetische Flussdichte beide Vektoren sind, muss man den Zusatz

\sin \varphi

machen, um den vektoriell wirksamen Teil zu ermitteln. Die erzeugte Spannung ist dabei: :

U = - n \cdot B \cdot l \cdot v \cdot \sin \varphi

- n = Anzahl der Windungen bei einer bewegten Spule
- U = entstandene Spannung in V
- v = Geschwindigkeit des Leiters in m/s
- B = Flussdichte des Magnetfelds in T
- l = Länge des elektrischen Leiters in m
- &phi = Winkel zwischen Geschwindigkeitsvektor und magnetischer Flussdichte Sobald der Leiter sich im Magnetfeld bewegt wirkt auf die Ladungen im Leiter eine Kraft, die Lorentzkraft. Somit werden sie getrennt. Die Spannung hängt dann nur noch von der größe dieser Kraft ab. Die Kraft (auf eine Ladung) wiederum hängt nur von der Geschwindigkeit und vom Magnetfeld ab. Es ergibt sich obige Gleichung.

Induktionsspannung durch Änderung des magnetischen Flusses

Induktionen treten nicht nur auf, wenn sich Leiter in einem Magnetfeld bewegen, sondern auch, wenn sich das magnetische Feld verändert. Um dies zu verstehen muss man eine Modellgröße einführen: den magnetischen Fluss. Dieser ist definiert als: :

\Phi = \vec B \cdot \vec A

Für die induzierte Spannung gilt: :

U_ = -n \cdot \frac = -n \cdot \dot \Phi

Wenn sich nun entweder das Magnetfeld ändert (schwächer o. stärker) oder die Fläche kleiner oder größer wird, ändert sich auch der magnetische Fluss. Diese Änderung abgeleitet nach der Zeit ergibt die induzierte Spannung. Der Faktor -n gibt zum einen die Vergrößerung des Spannung je mehr Windungen eine Spule im Feld hat, und zum anderen die lentzsche Regel, die besagt, dass eine Induktion immer seiner Ursache entgegen wirkt.

Selbstinduktion

Leiter oder Spulen, die durch den Stromfluss ein Magnetfeld aussenden (Elektromagnetismus) können durch diesen Vorgang auch in sich selbst wieder eine Spannung induzieren. Dieser Vorgang wird Selbstinduktion genannt. Die Polarität der selbst-induzierten Spannung ist dabei der Erregerspannung genau entgegengerichtet. Technisch wird die Selbstinduktion in vielfacher Weise benutzt.
Störende oder gefährliche Spannungsveränderungen in der Leitung, zum Beispiel durch Ab- oder Zuschalten großer Verbraucher oder durch Blitzeinschlag, können durch Einbau einer Drossel abgedämpft werden. Bei Wechselströmen wächst das Maß der Selbstinduktion und der bremsenden Gegenspannung mit dem Maß der Frequenz, da mit deren Zunehmen auch eine Zunahme der Magnetfeldveränderung einhergeht. Daher lässt sich die Selbstinduktion zur Konstruktion von Frequenzweichen für Musikanlagen nutzen. Die Selbstinduktion wird auch genutzt, um mit einer Zündspule den Zündfunken bei Ottomotoren oder die erforderliche hohe Zündspannung bei Leuchtstofflampen zu erzeugen. Die Wirkung entsteht, wenn der Stromfluss durch die Zündspule übergangslos unterbrochen wird. Das dann abrupt zusammenbrechende Magnetfeld erzeugt eine hohe Gegenspannung.

Gesetz der Selbstinduktion

In einer Spule der Länge l(L) mit n Windungen, in der ein elektrischer Strom I(i) fließt, entsteht das Magnetfeld mit der Feldstärke H ::

H = I \cdot \frac

und die Flussdichte B ergibt sich mit den vom Spulenkern abhängigen Materialkonstanten μ_r und der magnetischen Feldkonstanten μ₀ = 4·π · 10^-7 H/m. :: $B = \mu_r \cdot \mu_0 \cdot H$ :: $= \mu_r \cdot \mu_0 \cdot I \cdot \frac$ , Wegen Φ = B · A folgt dann :: $U_ = - n \cdot \frac$ :: $= - n \cdot \mu_r \cdot \mu_0 \cdot \frac \cdot A \cdot \frac$ :: $= - (\mu_r \cdot \mu_0 \cdot A \cdot \frac) \cdot \frac$ . Die erste Klammer enthält nur Maße und (Material-)Konstanten der Spule und wird als ihre Induktivität L bezeichnet, d. h. :: $U_ = - L \cdot \frac$ . Die Änderung des Stroms in einer Spule induziert also in der Spule selbst eine Spannung.
Anwendung
Um eine Spannung zu induzieren, muss sich der magnetische Fluss ändern. Da er das Produkt aus Flussdichte und Fläche ist, kann sich dazu entweder die Flussdichte B oder die Fläche A ändern. Eine Änderung der Fläche wird erreicht, indem man die Spule in einem konstanten Magnetfeld dreht (die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche ist null, wenn die Spule quer zum Magnetfeld steht, sie ist maximal, wenn das Feld die Spule axial durchsetzt) oder einen Magneten in einer Spule. Nach diesem Prinzip wird in einem Generator (Dynamomaschine) Strom erzeugt. Eine Änderung der Flussdichte erreicht man durch ein veränderliches Magnetfeld. Nach diesem Prinzip wird in der Sekundärwicklung eines Transformators eine Spannung induziert. Das Induktionsgesetz ist die Grundlage für die induktive Erwärmung von Werkstoffen. Induktionsöfen werden vorwiegend in der Industrie zum Härten, Löten, Schmelzen usw. eingesetzt. Diese Technik kommt zunehmend in der privaten Anwendung beispielsweise in der Küche als Induktionsherd zum Gebrauch.
Siehe auch

- Transformator | Induktionsofen | Induktionsherd | Unipolarinduktion | Induktionsgesetz | Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Magnetismus ja:電磁誘導 ko:전자기 유도

Wechselstrom

Wechselstrom bezeichnet elektrischen Strom, der seine Richtung (Polung) periodisch und in steter Wiederholung ändert. Weltweit wird die elektrische Energieversorgung am häufigsten mit Wechselstrom vorgenommen. Die Gründe für diese Bevorzugung sind die einfache Erzeugung, die verlustarme Fern-Übertragung hochgespannten Wechselstroms, einfache Motoren mit hohem Wirkungsgrad durch verkettete Dreiphasen-Wechselstrom-Systeme, daneben ist in der Nachrichtentechnik grösstenteils hochfrequenter Wechselstrom unverzichtbar.

Erzeugung

Form

NachrichtentechnikDie einfachste denkbare Form von Wechselstrom entsteht durch ständig wechselnde Umpolung einer Gleichstromquelle, woraus sich der Verlauf einer Rechteck-Impuls-Wechselstromes ergibt. Um technisch sinnvoll nutzbar zu sein, müsste die Umpolung mit genügend hoher Wiederholungsrate und ohne Unterbrechungslücken beim Umschalten erfolgen. Die verbreitetste Form des Wechselstromes ist jedoch der „sinusförmige Wechselstrom“. Er hat seinen Namen daher, daß die Momentanwerte über eine vollständige Periode mit einer positiven und einer negativen Halbwelle exakt den Werten der Sinus-Winkelfunktion über einen Vollkreis (0 - 360°) entsprechen, die grafische Darstellung ergibt dabei die typische „Sinuskurve“. Trotz seines komplizierten Verlaufs ist er technisch weit einfacher herzustellen als Rechteck-Impuls-Wechselstrom. Dreht man eine Leiterschleife mit konstanter Drehbewegung in einem ruhenden Magnetfeld, so durchlaufen die beiden Seiten der Leiterschleife nacheinander jeweils erst von links dann von rechts durch das magnetische Feld, wodurch erst zu-, dann wieder abnehmend ein Stromimpuls erst in die eine, dann in die andere Richtung induziert wird. induziert In industriellen Generatoren werden statt einer Leiterschleife Spulen mit vielen Windungen und statt einem Magnetpolpaar mehrere Polpaare verwendet. Damit können hohe Spannungen und genügend hohe Frequenzen des so generierten Wechselstromes erzeugt werden. Sinusförmiger Wechselstrom kann daneben auch mit computergesteuerter Leistungselektronik aus Gleichstrom erzeugt werden, z.B. in Wechselrichtern bei der Einspeisung von Solarstrom ins Stromnetz. Neben diesen gibt es zahlreiche weitere Varianten des Wechselstromes, siehe Spannungsform.

Mehrphasiger Wechselstrom / "Drehstrom"

In der Praxis werden statt nur eines Wechselstroms in den Generatoren drei separate Wechselstrom-“Phasen“ erzeugt durch die Anordnung von 3 Spulen, die gleichmässig um den Kreisumfang verteilt sind. In den Spulen entstehen dann einzelne Wechselspannungen, die zeitlich um jeweils eine Drittelperiode (oder 120° bei einem Kreisumlauf) gegenüber den anderen Spulenspannungen versetzt ist. Die einzelnen Phasen des industriellen Wechselstroms lassen sich unabhängig voneinander als Einzelsystem bei Kleinverbrauchern nutzen. Für Motorantriebe bietet jedoch die Nutzung der drei zeitlich gegeneinander verschobenen Phasenströme grosse Vorteile. Leitet man diese Spannungen in einen Motor mit 3 im Kreis versetzten Spulen, so entsteht wieder ein rotierendes Magnetfeld, das einen einfachen Kurzschlußläufer in Rotation versetzt.

Frequenzbereiche

Der normale Netzwechselstrom hat in Deutschland und anderen europäischen Staaten eine Frequenz von 50 Hz, weltweit häufig auch von 60 Hz. Mehrere europäischen Eisenbahnen, u.a. die Deutsche Bahn AG nutzen eine (Bahn-)Netzfrequenz von 16,7 Hz (früher genau 16 2/3 Hz), die mit den damals überwiegend verwendeten Kommutatormotoren besser genutzt werden konnte. Für Funkübertragungen und andere Zwecke werden hochfrequente Wechselströme mit Frequenzen im Kilohertz- oder Megahertz-Bereich benutzt. Hochfrequente Wechselströme (300 - 3.000 kHz) mit sehr geringer Stromstärke werden u. a. in der medizinischen Therapie als Diathermieströme eingesetzt. Sie werden für zur Erwärmung bestimmter tief liegender Gewebeabschnitte verwendet. Man zählt Ströme bis 20.000 Hz zur Niederfrequenz, die Mittelfrequenz reicht bis 300.000 Hz, die Hochfrequenz bis 300 MHz, anschließend beginnt die Höchstfrequenz.
Rechengrößen

Frequenz und Periode
Die Anzahl der Schwingungen in der Zeiteinheit (hier 1 Sekunde) nennt man Frequenz, gemessen in Hertz. Eine Periode ist die Wiederholung gleicher Zustände eines physikalischen Systems in regelmäßigen Zeitabständen (Periodendauer T). Bei einem Wechselstrom ist eine Periode z. B. die aufeinanderfolgende positive und eine negative Halbwelle. Die Periodendauer T errechnet sich aus dem Kehrwert der Frequenz f : $T = \frac$ . Der in Deutschland übliche Wechselstrom hat eine Periodendauer von : $T_= \frac = 1/50~ = 20~$ . Für Berechnungen wird die Dauer einer Periode auch mit der sogenannten Winkelgeschwindigkeit : $\omega$ beschrieben: : $\omega = 2 \cdot \pi \cdot f$ Bei einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz: : $\omega = 50~ \cdot 2 \cdot \pi = 100 \cdot \pi ~\approx 31416~/$ ; Einheit: rad je Sekunde Wenn es sich um eine Maschine mit nur zwei Polen handelt, läuft sie von der Mitte eines N-Pol über den nahegelegenen S-Pol zur nächsten N-Pol-Mitte. Damit ist eine Periode, also 360 elektrische Grade zurückgelegt.
Effektivwert
Durch den sinusförmigen Verlauf von Strom und Spannung ergeben sich Probleme bei der Berechnung der erzielten Wirkung. So lässt sich z.B. die Leistungsaufnahme eines Widerstandes, die gleich seiner thermischen Leistungsabgabe ist, nicht mehr so einfach mit P=U
- I errechnen. Denn mit welcher Spannung kann man arbeiten, wenn sie sich doch kontinuierlich ändert? Das Ergebnis wäre die Momentanleistung, die allerdings meist nicht interessiert. Deshalb vergleicht man die Wirkung mit der, die ein Gleichstrom erzielt hätte. Der Effektivwert einer Wechselspannung entspricht also dem Wert einer Gleichspannung, die den gleichen Effekt bringt. Misst man einen sinusförmigen Wechselstrom (mit dem Scheitelwert $\hat i$ , auch $i_$ genannt) mit einem Gleichstrommessinstrument, so zeigt dieses den sog. Effektivwert I_eff, einen zeitlichen, quadratischen Mittelwert an, der bei einem Sinusstrom durch $I_\mathrm =$ gegeben wird. Entsprechend nennt man $U_\mathrm =$ den Effektivwert der sinusförmigen Wechselspannung. Solange die Amplitude gleich ist, bleibt der Effektivwert bei allen Frequenzen (sinusförmiger Verlauf) gleich. Bei nichtsinusförmigen Strömen ergeben sich andere Mittelwerte. Die allgemeine Formel für die Effektivgröße $A_$ einer Wechselgröße $A(t)$ ist: : $A_=\sqrt$ Ein Rechteckwechselstrom, also zeichnerisch ein Paar von gleich großen Rechteckimpulsen, die alternierend über/unter der Zeitachse liegen, ist $I_ = \hat i$ . Falls nichts anderes gesagt wird, sind bei Wechselströmen / Wechselspannungen immer die Effektivwerte gemeint.
Wechselstromwiderstände
Jedes elektrische Gerät stellt gegenüber dem Strom einen Widerstand dar, der je nach Art des Gerätes ein "ohmscher", als Kondensator ein "kapazitiver" oder als Spule ein "induktiver" Widerstand sein kann. Kondensatoren und Spulen verhalten sich während der fortlaufenden Spannungsänderung bei Wechselstrom anders als bei Gleichstrom. Sie bewirken im Allgemeinen eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom- und Spannungverlauf.
- Phasenverschiebung Kondensator bei Wechselstrom: Bei Gleichstrom lässt ein Kondensator nur für die Dauer des Aufladens einen Strom fließen, danach bildet er eine Unterbrechung des Stromkreises, weil das zwischen den Kondensatorplatten befindliche Dielektrikum ein elektrischer Isolator ist. Bei Wechselstrom ergibt sich am Kondensator, infolge des ständigen Umladens der metallischen Platten, ein Stromfluss, der durch den Widerstand $X_C = 1/(\omega \cdot C)$ begrenzt wird. C ist dabei die Kapazität des Kondensators in Farad, $\omega = 2 \cdot \pi \cdot f$ die Kreisfrequenz der angelegten Spannung. Der 90 ° vorauseilende Strom lädt den Kondensator und baut damit die Spannung an den "Platten" des Kondensators auf. Der Strom fließt zunächst, und daraus resultiert der Spannungsanstieg am Kondensator.
- Farad Induktivität bzw. Drosselspule bei Wechselstrom: Bei einer verlustlosen Spule eilt die Spannung dem Strom um 90° voraus, weil durch Selbstinduktion (siehe Lenzsches Gesetz) in der Spule eine Spannung erzeugt wird, die den Strom um den Phasenwinkel φ später ansteigen lässt. Der induktive Widerstand, den die Spule dem Strom entgegensetzt, ist durch $X_L =\omega \cdot L$ gegeben. Die Induktivität wird in Henry [Vs/A ]angegeben.
- Berechnung der Wechselstromschaltung mit komplexen Zahlen: Zur Berechnung weiterer Wechselstromschaltungen ist es zweckmäßig Zeigerdiagramme oder komplexe Zahlen (siehe komplexe Wechselstromrechnung) zu verwenden. Auf diesem Wege ergibt sich beispielsweise für den Wechselstromwiderstand (die Impedanz) einer Reihenschaltung aus ohmschem Widerstand X₀, induktivem Widerstand X_L und kapazitivem Widerstand X_C die Formel: : $\underline Z = X_0 + \mathrm \cdot (X_L - X_C)$ : $Z = \sqrt$ bzw. für eine Reihenschaltung aus einem Widerstand, einer idealen Spule und einem idealen Kondensator: : $Z = \sqrt$ der zugehörige Phasenwinkel $\varphi$ errechnet sich zu : $\tan = \frac$ .
Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung
Impedanz Für den Fall des von einem Gleichstrom I durchflossenen ohmschen Widerstandes bei gleichbleibender Spannung U gilt für die Leistung P: $\ P = U \cdot I$ Es sollen sich jetzt Strom $I(t)$ und Spannung $U(t)$ zeitabhängig (t) ändern. Damit gelten: $P(t) = U(t) \cdot I(t)$ Strom und Spannung erreichen an einem ohmschen Widerstand stets gleichzeitig einen Minimal- und einen Maximalwert, und gehen gleichzeitig durch den Nullpunkt. Die augenblickliche Leistung ist daher rechnerisch unter dieser Bedingung immer positiv. Da der Stromfluß durch einen ohmschen Widerstand stets „wirksam“ in Wärme umgesetzt wird, wird die damit verbundene Leistung als „Wirkleistung“ bezeichnet. Die stets im positiven Bereich verlaufende Kurvenform zeigt das Bild wie nebenstehend. Gleichstrom Gleichstrom Wenn Spulen bzw. eine Induktivität oder Kondensatoren in einer Schaltung enthalten sind, entstehen durch die Phasenverschiebung kapazitive oder induktive Blindleistungen, die entweder fast rein oder in Kombination mit der Wirkleistung auftreten. Das Zeigerdiagramm zeigt die zeitlich verschobenen Verläufe dieser Leistungsanteile. Da bei induktiver oder kapazitiver Belastung die Phasenlage des Stromes stets um 90 Grad gegenüber der Spannung verschoben ist, ist auch die Blindleistung um 90 Grad gegenüber der Wirkleistung verschoben. Die aus der Wirkleistung P und Blindleistung Q zusammengesetzte Scheinleistung S läßt sich durch eine geometrische Behandlung mit Hilfe des Satz des Pythagoras berechnen: : $S = U_\mathrm \cdot I_\mathrm = \sqrt$ Die Scheinleistung wird in VA (Voltampere) angegeben. Siehje auch: Zeigerdiagramm, Komplexe Wechselstromrechnung
Leistungsfaktor
Der Term $\cos \varphi$ wird Leistungsfaktor, Wirkfaktor oder Verschiebungsfaktor genannt. Er ist der Quotient aus Wirk- und Scheinleistung ( $\cos \varphi = P/S$ ) oder Cosinus der Phasenverschiebung. Für die Wirkleistung (Einheit: W (Watt)) ergibt sich dann bei sinusfömigem Wechselstrom und -spannunng: : $P = I_\mathrm \cdot U_\mathrm \cdot \cos \varphi = \frac \cdot \hat i \cdot \hat u \cdot \cos \varphi$ Für die Blindleistung (Einheit: var), die zum Aufbau der elektrischen und magnetischen Felder in einem Stromkreis benötigt wird, ergibt sich: : $Q = I_\mathrm\cdot U_\mathrm \cdot \sin \varphi$ Der Idealwert des Leistungsfaktors ist $\cos \varphi = 1$ , d. h. $\varphi = 0^\circ$ bei einer Phasenverschiebung von $\varphi = 0^\circ$ . Dann sind Spannung und Strom in Phase und der Anteil an der Generator-Nennleistung (in kVA) kann vollständig als Wirkleistung ausgeschöpft werden. Dies ist aber nur mit rein ohmschen Verbrauchern erreichbar, in der Praxis beträgt der Wert rund 0,8, da Haushalte und Gewerbe immer auch Motoren mit induktiven Anteilen neben den nahezu rein ohmisch wirkenden Koch-/Heizgeräten einsetzen. Der Term $\sin \varphi$ wird Blindfaktor genannt. Er errechnet sich aus: : $\sin \varphi = \sqrt =$ Der Blindfaktor gibt das Verhältnis der Verbraucher-Blindleistung zur Generator-Nennleistung an. Würden die Verbraucher nur Blindleistung verbrauchen ( $\sin \varphi = 1$ ), wäre der Generator mechanisch völlig unbelastet (Reibungsverluste, Stromwärmeverluste und Lüfterverluste unberücksichtigt), es wäre dazu auch keine Antriebsenergie nötig. Diese (extreme) Betriebsweise wird als Phasenschieberbetrieb bezeichnet, die Antriebsturbine oder ähnliches deckt nur die mechanischen und elektrischen Verluste ab. Außer der Ersparnis der Primärenergie für die Erzeugung der Blindleistung, werden alle Einrichtungen eines Kraftwerkes daran beteiligt. International wird Wechselstrom häufig auf Englisch mit Alternating Current, bzw. dem Kürzel AC bezeichnet.
Literatur

- Klaus Lunze: Theorie der Wechselstromschaltungen Verlag Technik, 1991, ISBN 3-3410-0984-1
- Paul Vaske: Berechnung von Wechselstromschaltungen, 1985, ISBN 3-5192-0065-1
- Heinz Rieger: Wechselspannung, Wechselstrom. Publicis Corporate Publishing, Oktober 1992, ISBN 3-8009-4036-1
Weblinks

- [http://www.zum.de/dwu/depotan/apem111.htm www.zum.de] - Animierte Veranschaulichung von Wechselgrößen
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m03_wechselstrom.htm Versuche und Aufgaben zum Wechselstrom] Kategorie:Elektrotechnik ja:交流

Strom
Das Wort Strom bezeichnet:
- in der Elektrotechnik den Elektronenfluss, siehe Elektrischer Strom
- allgemein und in der Physik eine pro Zeiteinheit durch eine gegebene Querschnittsfläche hindurchtretende Menge, siehe Strom (Physik)
- einen Fluss, der nicht Nebenfluss eines anderen Flusses ist, sondern im offenen Meer endet, siehe Strom (Gewässer)
- eine Meeresströmung (z.B. Golfstrom)
Siehe auch
Strömung, Fluss

Frequenz
Mit Frequenz von lat.: frequentia, "Häufigkeit", Formelzeichen f oder manchmal auch der griechische Buchstabe $\nu$ , bezeichnet man allgemein die Anzahl von Ereignissen innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Im Speziellen sind mit diesen Ereignissen Perioden gemeint, somit ist die Frequenz der Kehrwert der Periode. Neben einer Ereignishäufigkeit pro Zeitintervall kann Frequenz auch eine Ereignishäufigkeit in einem bestimmten Gebiet bezeichnen, siehe dazu Ortsfrequenz. Die Einheit der Frequenz in Hertz, kurz: Hz ist abgeleitet von der SI-Basiseinheit Sekunde (s): : $1\mathrm=\frac$ Ausgesprochen heißt die Formel: Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Die Einheit der Frequenz ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz benannt.
Spezielle Frequenzbegriffe

Umlauffrequenz
Unter dem Begriff Umlauffrequenz oder Drehzahl n versteht man das Verhältnis der Anzahl der Umdrehungen U in einer benötigten Zeit, z.B. n = U/min. z ist die Anzahl der Umdrehungen während der Zeit t. t ist die Zeit und Dauer der Rotation. Der Drehwinkel ist φ. T ist die Umlaufdauer (Dauer einer Umdrehung). T = 1/n. Drehzahl n und Zahl der Umdrehungen z müssen sorgfältig unterschieden werden.
z = φ / 2 · π : $f =$ T = Periodendauer : $f =$ n = Schwingungsanzahl und t = Zeit
Weiterhin wird in der Physik häufig die Kreisfrequenz ω benutzt und anstatt der Frequenz f wird gern der griechische Buchstabe ν (Ny, sprich „nü“) genommen.
Frequenzen bei Wellen
Für die Frequenz f gilt: $f=\frac$ , wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in einem Medium und $\lambda$ (lambda) seine Wellenlänge ist.
- λ = Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle oder
- λ = Wellenlänge einer Schallwelle meistens in Luft
- c = Geschwindigkeit von Licht im Vakuum (Lichtgeschwindigkeit) = 299 792,458 km/Sekunde ~ 300 000 km/s = 300 000 000 m/s oder
- c = temperaturabhängige Geschwindigkeit von Schall in Luft (Schallgeschwindigkeit) = 343 m/s bei 20 °C.
Frequenzspektren
Rein sinusförmige Schwingungen kommen in der Natur nicht vor. Dies ist nicht nur in der Wellenform der Schwingung begründet, sondern auch in der zeitlichen Begrenztheit des Schwingungsvorgangs. Eine mathematisch exakte Sinuswelle ist dagegen zeitlich unbegrenzt, damit wäre der mit ihr verbundene Energieinhalt unendlich. Jeder zeitlich begrenzte Schwingungsvorgang, selbst wenn er ansonsten die Form einer Sinuskurve hat, ist dagegen immer eine Überlagerung mehrerer Frequenzen. Diese können in einem Frequenzspektrum dargestellt werden. Ein physikalisch realistischer Schwingungsvorgang besteht aus einem Gemisch unendlich vieler Frequenzen mit jeweils infinitesimalen Anteil der Einzelfrequenzen. Mathematisch kann man Frequenzen deshalb als Einheitsvektoren eines Vektorraums auffassen, die selbst nicht mehr Elemente dieses Vektorraumes sind. Jeder periodische Vorgang lässt sich durch die Summe der in ihm vorhandenen Frequenzen mit Hilfe der Fourieranalyse darstellen.
Beispiele

- Dauert eine Periode eine 0,01 Sekunde (10 ms), so ergibt sich eine Frequenz von: : $f==100 \ \mathrm$
- Die Frequenz des Kammertons a' (eingestrichenes a), nach dem ein Orchester gestimmt wird, beträgt heute 440 Hz (oder geringfügig höher).
- Ein Kleinkind hört Töne mit Schwingungen bis ca. 20.000 Hz, Erwachsene hören diese hohe Frequenz nicht mehr.
- Die Frequenz des Wechselstroms im europäischen Stromnetz ist genau 50 Hz, etwa der Ton G.
- Im US-amerikanischen Stromnetz ist die Frequenz 60 Hz, etwa der Ton B. In älteren Tonaufnamen kann man manchmal ein tiefes Brummen von der Netzfrequenz hören. An der Tonhöhe kann man dann erkennen, ob eine Tonaufnahme z. B. in USA gemacht wurde. In den us-amerikanischen Stromnetzen brummt es eine kleine Terz höher als in denen Europas. Durch die Gleichrichtung der Wechselspannung ist die doppelte Netzfrequenz zu hören.
- Für Mobiltelefone (ugs. "Handy") werden unterschiedliche Frequenzbänder genutzt. Beispielhaft seien hier die Mobilfunknetze von GSM und UMTS genannt. Bei den GSM-Mobilfunknetzen wird beim D-Netz (in Deutschland D1 T-Mobile, D2 Vodafone) ein Frequenzband bei 900 MHz genutzt, das E-Netz (in Deutschland E-Plus, O₂ Germany) benutzt ein Frequenzband bei 1.800 MHz. Bei den UMTS-Mobilfunknetzen wird weltweit (bis auf Nordamerika) ein Frequenzband bei 2.100 MHz genutzt. In Nordamerika verwenden die Netze dagegen - sowohl für GSM- als auch UMTS-Mobilfunknetze - überwiegend das 1900 MHz-Band und das 850 MHz-Band.
- in der Medizin gilt: Der Puls f oder $\nu$ (griechisch: ny) wird in Anzahl der Pulsschläge (Perioden) pro Minute gemessen. Siehe auch: Kreisfrequenz, Fourieranalyse, Liste interessanter Frequenzen
Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Umrechnung von Frequenz in Wellenlänge und zurück bei Schallwellen (Schall in Luft) und Radiowellen (Licht)]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-periodendauer.htm Umrechnung von Frequenz f in Periodendauer T und zurück] Kategorie:Digitale Signalverarbeitung Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Wellenlehre ja:周波数 ko:진동수 th:ความถี่

Wärmeleitung
Unter Wärmeleitung, auch Wärmediffusion oder Konduktion genannt, wird in der Physik der Wärmefluss in einem Kontinuum (Feststoff oder ruhendes Fluid) zufolge eines Temperaturunterschiedes verstanden. Wärme fließt dabei aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik von selbst immer nur in Richtung geringerer Temperatur. Die durch Wärmeleitung übertragene Wärmeleistung $\dot$ wird durch das Fouriersche Gesetz (1822) (nach Jean Baptiste Joseph Fourier) beschrieben, das für den vereinfachten Fall eines festen Körpers mit zwei parallelen Wandflächen lautet: : $\dot = F (t_-t_)$ Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- $t_$ die Temperatur der wärmeren Wandoberfläche
- $t_$ die Temperatur der kälteren Wandoberfläche
- $F$ die Fläche, durch die die Wärme strömt,
- $\lambda$ der Wärmeleitkoeffizient, eine meist temperaturabhängige Stoffgröße, und
- $\delta$ die Dicke der Wand sind. Die Wärmestromdichte ist nach dem Fourierschen Grundgesetz wie folgt definiert: $\dot = -\lambda \cdot grad \ \vartheta$ In dielektrischen Festkörpern (Isolatoren) geschieht die Wärmeleitung durch das Zusammenstoßen der Atome oder Moleküle. Dabei übertragen Moleküle mit kinetisch höherer Energie ihre Energie auf benachbarten Moleküle mit geringerer kinetischen Energie. In elektrisch leitfähigen Körpern wie Metallen tragen außerdem die freien Ladungsträger, in der Regel Elektronen, zur Wärmeleitung bei; gute elektrische Leiter übertragen die Wärme besser. Auch in Flüssigkeiten und Gasen wird die Wärmeleitung durch Stöße zwischen Teilchen dominiert, doch ist deren Bewegung stärker und es wirken auch andere Effekte (Durchmischung, Diffusion etc.) merklich. Die Wärmeleitung in Gasen hängt vom Druck ab. Leichte Atome bzw. Moleküle leiten besser als schwere.
Im Gegensatz zur Konvektion bilden sich bei reiner Wärmediffusion in Flüssigkeiten und Gasen keine Wirbel. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes geht bei der Wärmeleitung keine Wärme verloren. Kategorie:Thermodynamik

Aluminium
Aluminium (von lat. alumen = Alaun) ist ein chemisches Element des Periodensystems mit der Ordnungszahl 13. Das Elementsymbol ist Al. Es gehört zur Borgruppe (früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet). Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste und tritt nur in chemisch-gebundenem Zustand auf.
Eigenschaften
Das Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Die Oxidschicht macht Aluminium sehr korrosionsbeständig. Durch elektrische Oxydation (eloxieren) oder auf chemischem Weg kann die schützende Oxydschicht verstärkt werden. Aluminium ist ein sehr weiches, zähes Metall, es ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünner Folie verarbeitet werden. Es lässt sich gut gießen, verformen, biegen, pressen, schmieden und spanabhebend bearbeiten. Entstandene Spannungen durch Kaltverformen können durch weichglühen (bis 250°C) beseitigt werden. Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter (60% von Kupfer).
Geschichte
Aluminium ist im Vergleich zu anderen Metallen noch nicht lange bekannt. Es wurde erst im Jahr 1808 durch Sir Humphry Davy entdeckt und benannt. Friedrich Wöhler gelang die Herstellung von Aluminium im Jahr 1827 basierend auf einer unreinen Form, die Hans Christian Ørsted zwei Jahre zuvor hergestellt hatte. Der Preis von Aluminium war zu jener Zeit höher als der von Gold. Durch Henri Sainte-Claire Deville wurde der Wöhler-Prozess im Jahr 1846 weiter verfeinert und 1859 in einem Buch publiziert. Dadurch fiel der Aluminiumpreis innerhalb von zehn Jahren um 90 Prozent. 1886 wurde unabhängig voneinander durch Charles Martin Hall und Paul Héroult das jetzt nach ihnen benannte Verfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess. Nach diesem Prinzip erfolgt noch heute die großtechnische Aluminiumherstellung. Im Jahr 1889 wurde das Verfahren durch Carl Josef Bayer weiter verbessert.
Vorkommen
Aluminium ist das Metall, welches in der Erdkruste am häufigsten vorkommt (7,57 Prozent des Gesamtgewichts der Erdkruste). Es tritt allerdings nirgends rein auf, sondern nur in chemischen Verbindungen. Aluminium findet man in der Natur häufig als Aluminiumsilikat in Ton, Gneis, Granit und Basalt. Eine wirtschaftliche Gewinnung von Aluminium ist nur aus Bauxit möglich. Bauxit enthält ca. 60% Aluminiumoxyd (Al₂O₃), ca. 30% Eisenoxyd (Fe₂O₃), Siliziumoxyd (SiO₂) und Wasser. In seltener Form ist Aluminiumoxid in Korund, bekannt als Rubin und Saphir, vorhanden. Die rote bzw. blaue Farbe der Steine entstehen durch Verunreinigungen. Bauxitvorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Ungarn, Russland, Indien und USA.
Gewinnung und Darstellung
Nach dem Verfahren von Ørsted (1825) wird Aluminium aus Aluminiumchlorid und Kaliumamalgam hergestellt, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient: $\mathrm$ Nach Wöhler wird metallisches Kalium zur Reduktion verwendet. Technisch gelingt die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren, Bayer-Verfahren). Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Der Energieaufwand beträgt etwa 13–16 kWh/kg. Wegen der geringen Dichte von Aluminium wird dieses Metall gerne da verwendet, wo Masse bewegt werden muss, vor allem in der Verpackungsindustrie und der Luft- und Raumfahrt; Aus diesem Grund gewinnt der Werkstoff Aluminium im Fahrzeugbau zunehmend an Bedeutung. In Legierungen mit Magnesium, Silizium und anderen Metallen werden Festigkeiten in Strangpressprofilen erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminium für die Gewichtsreduzierung sehr beliebt. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik ist Aluminium der Werkstoff der Wahl. Kraftfahrzeughersteller nutzen den Werbeeffekt des Werkstoffes. Im Haushalt trifft man Aluminium in Form von Getränkedosen und Aluminiumfolie an, zuweilen auch als Kochtöpfe. Umweltverbände kritisieren den Einsatz von Aluminium wegen des hohen Ressourcenverbrauchs bei der Herstellung. In der Lebensmittel-Herstellung findet es Verwendung als Lebensmittelfarbe (E 173) bei Überzügen von Zuckerwaren zur Dekoration von Kuchen und Feinen Backwaren. In Pulverform (Partikelgröße < 500 µm) ist es vor allem, wenn es nicht phlegmatisiert ist, aufgrund seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. So reagiert Aluminium beispielsweise mit Wasser unter Abgabe von Wasserstoff zu Aluminiumoxid. Ebenso ist es für die stark exotherme (bis zu 2500 °C) Thermit-Reaktion unerlässlich. Vorsicht: Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst, er hat das Gefahrenzeichen [F+]. Aluminium wird häufig durch eine Eloxalschicht geschützt. Die Aluminiumverarbeitung geschieht oft mit Hilfe von Gußverfahren (Aluminiumgießerei). Urformen:
- Sandguss
- Strangguss
- Druckguss
- Kokillenguss
- Strangpressen
- Sprühkompaktieren
Sicherheitshinweise
Aluminium ist eines der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, das keine vorteilhafte Funktion in lebenden Zellen zu haben scheint, aber einige Prozent der Bevölkerung reagieren allergisch — sie erleiden Ausschläge in jeder möglichen Form durch Verwenden von Antitranspirationsprodukten, Verdauungsstörungen und Unfähigkeit, Nährstoffe aus der Nahrung aufzunehmen, die in Aluminiumtöpfen gekocht wurde, oder Erbrechen und anderen Vergiftungserscheinungen durch Einnehmen aluminiumhaltiger Medikamente. Aluminium ist nicht so giftig wie Schwermetalle, aber vieles spricht für eine geringe Giftigkeit, wenn es in übermäßigen Mengen gebraucht wird. Jedoch ist der Gebrauch von Aluminiumgeschirr, das sehr populär wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und guten Hitzeübertragung ist, unbedenklich. Übermäßiger Verbrauch von Mitteln gegen Sodbrennen und Deodorants, die Aluminium enthalten, sind wahrscheinlichere Ursachen von Vergiftungserscheinungen. Es wurde eine Zeit lang vermutet, dass Aluminium Alzheimer hervorrufen kann. Diese Vermutung konnte nicht bewiesen werden. Ferner besteht jedoch der Verdacht, dass Aluminium Brustkrebs fördern könnte. Auch diese Vermutung ist noch nicht wissenschaftlich bestätigt.
Ökologie
Hinsichtlich der Umweltbelastung ist die gute Recyclierbarkeit von Aluminium hervorzuheben. Außerdem wird durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen gespart, was zur Energieeinsparung bei der Anwendung führt. Andererseits wird für die Elektrolyse von Aluminium sehr viel Elektroenergie benötigt. Der Abbau von Bauxit führt zu Umweltzerstörungen. Aluminium ist physiologisch unbedenklich und hat deshalb seine berechtigte Anwendung in der Nahrungsmittelindustrie.
Aluminiumlegierungen
Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung bekam 1907 den Markennamen Duraluminium. Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Chrom, Zink, Zirkon und Molybdän legiert werden, um bestimmte Eigenschaften zu fördern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken.
- Aluminiumgusslegierungen - Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen. Typische Aluminiumgusslegierungen sind: AlSi, AlSiCu, AlSiMg, AlCuTi, AlMg
- Aluminiumknetlegierungen - Platten und Bandproduktion durch Warmumformen (Walzen, Strangpressen). Typische Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlMg, AlSi, AlZnMg, AlZnMgCu, AlMn
- Aushärtung von Aluminiumlegierungen - Gitterverspannung durch Abschrecken Es gibt Aluminiumknetlegierungen (AW, engl. wrought), zum Beispiel AlMg4,5Mn, und Aluminiumgusslegierungen (AC). Aluminiumgusslegierungen werden z.B. für Leichtmetallfelgen verwendet.
Verbindungen

- Aluminiumoxid Al₂O₃, auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harter Kristalle vor und wird als Schleif- oder Poliermittel verwendet.
- Kaliumaluminiumsulfat KAl(SO₄)₂, bekannt als "Alaun" zum Blutstillen.
- Aluminiumacetat Al(CH₃-COO)₃, bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge.
- Aluminiumorganische Verbindungen - Triethylaluminium u.v.m. - werden im großtechnischen Maßstab als Katalysatoren in der Polyethylen-Herstellung eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Halbleitertechnik. Hier werden flüchtige Aluminiumalkyle (Trimethylaluminium, Triethylaluminium etc.) als Vorstufen zur CVD (Chemical-Vapor-Deposition)- Abscheidung von Alumiumoxid verwendet, das man als Isolator und Ersatz für das nicht ausreichend isolierende Siliziumdioxid einsetzt.
- Bei der Aluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet (siehe auch Thermitverfahren).
Siehe auch

- Liste der größten Aluminiumproduzenten
- Aluminiummarkt
Weblinks

- [http://www.taprofessional.de/charts/Aluminium-Line-Chart.htm Charts: Kurs-Entwicklung Aluminium in Dollar]
- [http://www.aluinfo.de/index.html www.aluinfo.de]
- [http://www.kalzip.com/de/produkte/aluminium_home.htm Aluminum als Werkstoff in der Architektur] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Erdmetall Kategorie:Periode-3-Element Kategorie:Metall ja:アルミニウム ko:알루미늄 simple:Aluminium th:อะลูมิเนียม

Elektrischer Widerstand

Schaltzeichen
Der elektrische Widerstand (Formelzeichen: R) ist ein Begriff aus der Elektrotechnik. Er charakterisiert die Eigenschaft von Materialien, den durch elektrische Felder bzw. Spannungen hervorgerufenen elektrischen Strom zu hemmen. Das Formelzeichen R kommt von dem englischen Wort "resistance". Der Widerstand hat die SI-Einheit Ohm, sein Einheitenzeichen ist das große Omega $\Omega$ . Für Gleichstromkreise gilt bei konstantem Widerstand das ohmsche Gesetz : : $R=\frac$ :U: elektrische Spannung :I: elektrische Stromstärke Mehr dazu im Abschnitt ohmscher Widerstand (Gleichstromwiderstand). In Wechselstromkreisen gilt bei konstantem Widerstand ebenfalls das ohmsche Gesetz. Dieses einfache Gesetz gilt nicht mehr für z. B. Halbleiter; aber auch metallische Leiter haben keinen konstanten Widerstand, wenn man sie in einem großen Temperaturbereich betrachtet, das gilt z. B. für den Leuchtfaden in einer Glühlampe. Bei Wechselspannung spielt zusätzlich der kapazitive bzw. der induktive Widerstand eine Rolle, d. h. es treten außerdem noch Blindwiderstände auf, an denen Spannung abfällt; sie selbst verbrauchen aber keine Leistung. Tritt in Gleichstromkreisen ein Kondensator (Kapazität) auf, gilt allerdings das ohmsche Gesetz auch dort während des Auf- oder Entladens des Kondensators nicht. (siehe Abschnitt 3). Der Kehrwert des elektrischen Widerstands ist der Leitwert G: : $G = \frac$ Der elektrische Widerstand von Materialien wird als spezifischer elektrischer Widerstand angegeben. Es wird zwischen Materialien mit relativ geringem elektrischen Widerstand (elektrische Leiter; u.a. Metalle) und Materialien mit hohem elektrischen Widerstand (elektrische Isolatoren; meist Nichtmetalle) unterschieden. Starre Grenzen sind in dieser Einteilung aber nicht möglich, da der Übergang fließend ist und teilweise stark von der Temperatur abhängt (siehe Abschnitt Temperaturabhängigkeit).
Geschichte
Die Leitfähigkeit von Metallen wurde erstmals von Georg Simon Ohm systematisch untersucht. Das von Ohm formulierte Gesetz wurde nach ihm benannt. Dieses sehr simpel erscheinende Gesetz wurde zu einer Zeit gefunden, als es noch keine „richtigen“ Spannungsquellen gab. Es war von anderen physikalischen Effekten überlagert. Erst vor diesem Hintergrund kann man die große wissenschaftliche Leistung würdigen.
Ohmscher Widerstand (Gleichstromwiderstand)
Für gängige elektrische Leiter gilt das ohmsche Gesetz. Es besagt, dass der Quotient aus abfallender Spannung U und durchfließendem Strom I konstant ist und den Wert R hat. : $R = \frac\,$ Diese Konstante wird als ohmscher Widerstand oder Gleichstromwiderstand bezeichnet. Der Widerstand eines Körpers lässt sich auch über seine geometrischen Abmessungen und der entsprechenden materialspezifischen Konstante, dem spezifischen Widerstand ρ berechnen. Für einen in Längsrichtung durchflossenen geraden Leiter gilt: : $R = \rho \cdot$ Die Querschnittsfläche A berechnet sich für runde Drähte mit dem Durchmesser d nach der Formel $A=\pi\cdot\frac$ . : Bild:Widerstand_Formel.PNG Bei der Berechnung sollte aber beachtet werden, dass der spezifische Widerstand von der Temperatur abhängig ist, hierzu siehe Abschnitt Temperaturabhängigkeit.
Der elektrische Widerstand im Teilchenmodell
Die physikalische Beschreibung benutzt die Vorstellung, dass sich die Valenzelektronen im Metall wie ein Gas (Elektronengas) verhalten. Im einfachsten Modell bildet das Metall ein positiv homogen geladenes Volumen, in denen sich die Elektronen frei bewegen können. In dieses Volumen sind die Atomrümpfe eingebettet, die aus dem Atomkern und den stärker gebundenen Elektronen auf den tieferen Schalen bestehen. Legt man eine Spannung an die Drahtenden an, so werden die freien Elektronen im elektrischen Feld beschleunigt. Die Energie der Elektronen nimmt zu und damit die Temperatur des Elektronengases. Auf ihrem Weg durch das Metall geben die Elektronen einen Teil durch elastische Stöße an die Atomrümpfe ab. Durch diese Wechselwirkung ist das System Metallgitter-Elektronengas bemüht, den Temperaturgradienten, der durch die angelegte Spannung entstand, wieder abzubauen. Beim Erwärmen des Metalls verstärkt sich die thermische Schwingung der Atomrümpfe um ihre Gleichgewichtslage. Dadurch erhöht sich aber auch die Wechselwirkung mit dem Elektronengas und der Widerstand steigt. Allerdings erklärt dies nicht den Effekt des Heißleiters, der sich entgegengesetzt verhält. Bei Temperaturen, bei denen die Atome des Materials ionisiert werden (Plasma), ist jeder Stoff elektrisch leitend, da die vorher gebundenen Elektronen nun für den Ladungstransport zur Verfügung stehen. Umgekehrt sind Metalle und Oxide bekannt, für die der elektrische Widerstand unterhalb der so genannten Sprungtemperatur verschwindet: Supraleiter.
Temperaturabhängigkeit
Wie oben beschrieben berechnet sich der Gleichstromwiderstand eines geraden Leiters durch: : $R_=\rho \cdot \frac$ Dies gilt aber nur für die Temperatur für die der angebene spezifische Widerstand gilt. Wenn nicht anders angegeben, gilt dies für eine Ausgangstemperatur von 20°C. Darauf weist auch die 20 im Index von R hin. Grundsätzlich ist aber der Widerstand temperaturabhängig. Dies gilt für alle Materialien. Dieses Verhalten ist materialabhängig und wird mit dem Linear-Temperaturkoeffizienten α und Bestimmung des Temperaturunterschieds ( $\Delta T$ ) berechenbar. Im Allgemeinen beschreibt man diese Änderung durch eine Linearisierung: : $R_W = R_(1 + \alpha \cdot \Delta T) = R(T_0)(1 + \alpha \cdot (T-T_0))$ bei $T_0 = 20\,^\mathrm$ Für die meisten Materialien und Anwendungen reicht dies aus, da die Temperaturkoeffizienten höherer Ordnungen meist vernachlässigbar klein sind. Je nachdem ob der ohmsche Widerstandswert mit steigender Temperatur größer oder kleiner wird, unterscheidet man zwischen Kaltleitern (ohmsche Widerstandswert steigt, prinzipiell alle Metalle) und Heißleitern (ohmscher Widerstandswert sinkt). In der Technik wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ausgenutzt, z. B. beim Thermostaten oder bei Thermistoranemometern.
Wechselstromwiderstand oder Scheinwiderstand
Bei Wechselstrom ist der Widerstand im Allgemeinen frequenzabhängig und wird als Scheinwiderstand bezeichnet. Der Scheinwiderstand setzt sich zusammen aus dem frequenzunabhängigen Wirkwiderstand und dem frequenzabhängigen Blindwiderstand, der durch Kapazitäten bzw. Induktivitäten gebildet wird. : $Z = \sqrt$
Blindwiderstand

Induktiver Widerstand und kapazitiver Widerstand
Induktiver Widerstand und kapazitiver Widerstand sind Blindwiderstände. Sie bewirken eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Entsprechende (ideale) Bauelemente wandeln keine Energie in Wärme um. In der Praxis haben die Bauelemente aber immer einen ohmschen Anteil. Der induktive Widerstand einer idealen Spule ist bei Gleichspannung null und wird mit wachsender Frequenz f bei Wechselspannung größer: : $X_L = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot L$ Der kapazitive Widerstand eines idealen Kondensators ist bei Gleichspannung unendlich und sinkt mit wachsender Frequenz f bei Wechselspannung: : $X_C =$ Wenn die Maße eines Bauteils in den Bereich der Wellenlänge kommen, besitzt es sowohl einen nicht zu vernachlässigenden induktiven als auch einen kapazitiven Anteil und wird gegebenenfalls zum Schwingkreis, als Beispiel sei hier die Antenne genannt.
Schwingkreis
Durch die Parallel- beziehungsweise Reihenschaltung von Kapazität und Induktivität entsteht ein Schwingkreis. Ein Schwingkreis hat einen frequenzabhängigen elektrischen Widerstand, der nur in der Nachbarschaft der Resonanzfrequenz extremal (minimal beziehungsweise maximal) wird. Dieser Effekt wird unter anderem angewendet, um aus einem Gemisch von Signalen unterschiedlicher Frequenz eine bestimmte Frequenz herauszufiltern.
Vergleiche: Der Tiefpass lässt nur tiefe Frequenzen passieren und der Hochpass lässt nur hohe Frequenzen passieren.
In der Elektro-Akustik wird die entsprechende Filterwirkung eines Tiefpass-Filters (das ja die hohen Frequenzen abschneidet und entfernt) oft beschrieben mit: Höhensperre, Höhenfilter, High Cut, Treble Cut und Rauschfilter und die Filterwirkung eines Hochpass-Filters (das ja die tiefen Frequenzen entfernt) wird bezeichnet mit: Tiefensperre, Bassfilter, Low Cut, Bass Cut, Trittschallfilter und Rumpelfilter. Beim realen Schwingkreis treten Kondensatorverluste und Spulenverluste durch deren ohmschen Widerstand auf. Den ohmschen Widerstand des Kondensators kann man aber meist vernachlässigen. Für den Resonanzwiderstand im Parallelschwingkreis ergibt sich: : $R_p = \frac\,.$ Dieser wird bei der Resonanzfrequenz erreicht, die folgendermaßen berechnet werden kann: : $f_0 = \frac\,.$ (thomsonsche Schwingungsgleichung)
Reihen- und Parallelschaltung

Reihenschaltung
Werden n Widerstände in Reihe geschaltet, so addieren sich die Widerstände: : Veranschaulichen kann man sich dies an zwei Widerständen, die sich nur in der Länge unterscheiden.
Bild:Widerstand_R1_plus_R2.PNG
Die Reihenschaltung ergibt einen Widerstandskörper der Länge l₁ + l₂. Dann gilt: : $R = \rho \cdot = \rho \cdot + \rho \cdot = R_1 + R_2$
Parallelschaltung
Bei der Parallelschaltung von n Widerständen addieren sich die Leitwerte bzw. die reziproken Widerstände: : $= + + \dots +$ alternative Schreibweise: : $R_=R_1 || R_2 || \dots || R_n$ Schreibweise als Leitwerte: : $G_=G_1 + G_2 + \dots + G_n$ Der Leitwert ist der Kehrwert des Widerstandes, seine SI-Einheit ist das reziproke Ohm, das auch den besonderen Namen Siemens führt. Man veranschaulicht sich diesen Zusammenhang an der Parallelschaltung zweier Widerstände, die sich nur in ihrer Querschnittsfläche A unterscheiden.
Bild:Widerstand_R1_R2_parallel.PNG
Man erhält einen Widerstand vom Gesamtquerschnitt A₁ + A₂, also gilt: : $R = \rho \cdot$ und daher : $= = + = +$
Physikalische Zusammenhänge
Folgt ein Widerstand dem ohmschen Gesetz, bestehen folgende Zusammenhänge zwischen Spannung U, Stromstärke I und der elektrischen Leistung P beziehungsweise der elektrischen Arbeit W. : $U = R\cdot I$ : $P = =\frac = I^2 \cdot R$ : $W = = = I^2 \cdot R \cdot t$
Sonstige elektrische Widerstände

Differenzieller Widerstand
Bei nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinien - wie zum Beispiel bei Dioden - kann für jedes Strom-Spannungspaar ebenfalls ein Quotient gebildet werden. Der Quotient aus Spannungsänderung und Stromänderung bei einer bestimmten Spannung wird auch als differenzieller Widerstand r bezeichnet. Er entspricht der Steigung der Tangente am betrachteten Punkt der Kennlinie. : $r = \frac$
Negativer differenzieller Widerstand
Der differenzielle Widerstand kann in einem Teil der Kennlinie sogar negativ werden, so dass die Spannung bei steigender Stromstärke sinkt bzw. die Stromstärke bei sinkender Spannung steigt. Ein negativer differenzieller Widerstand kann zum Entdämpfen von Schwingkreisen verwendet werden. Der negative differenzielle Widerstand tritt zum Beispiel bei Avalanche- oder Tunneldioden auf.
Positiver differenzieller Widerstand
Bei positiven differenziellen Widerständen nimmt der Strom mit zunehmender Spannung zu. Alle real existierenden Schaltungselemente besitzen in einem Teil ihrer Kennlinie, jedoch stets für sehr große Werte einen positiven differenziellen Widerstand. Die meisten Elemente in der Schaltungstechnik besitzen einen ausschließlich positiven differenziellen Widerstand. Beispiele: realer Widerstand, Diode, Z-Diode, alle halbleitenden Keramiken.
Supraleitung
Unterhalb einer spezifischen Sprungtemperatur besitzt ein supraleitungsfähiges Material den ohmschen Widerstand von null Ohm. Deshalb wird ein solches Material als Supraleiter bezeichnet, da der Strom in diesem Material bei dieser tiefen Temperatur ohne jegliche Verluste fließt.
Weblinks

- [http://stshome.de/smd-code/smd-widerstand.php SMD Widerstände, SMD Widerstands-Schlüssel, SMD Widerstandsbestimmung]
- [http://www.sengpielaudio.com/Farbcodewiderstaende04.htm Farbcode für Widerstände, Widerstands-Schlüssel, Widerstandsbestimmung]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung: Elektrischer Widerstand - elektrische Spannung, elektrischer Strom und elektrische Leistung]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohmschesgesetz.htm Das ohmsche Gesetz und das magische Dreieck]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m04_widerstand.htm Versuche und Aufgaben zum elektrischen Widerstand]
Siehe auch
Widerstand (Bauelement) | Liste elektronischer Bauteile | Elektrischer Leitwert | Impedanz | Supraleiter | Vorwiderstand | Dämpfungsfaktor | Eingangswiderstand | Ausgangswiderstand | Van-der-Pauw-Messmethode | Kondo-Effekt | Widerstandsmessgerät | Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:電気抵抗 ko:전기저항

Zonenschmelzverfahren
Das Zonenschmelzverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von hochreinen einkristallinen Werkstoffen. Werkstoff
Funktionsprinzip
Das Zonenschmelzverfahren beruht auf der Tatsache, dass Verunreinigungen in der Schmelze eine andere Konzentration haben, als bei ihrem Erstarren im Festkörper. Die Menge, die im Kristall eingebaut wird, ist unter anderem abhängig von der Art der Verunreinigung und der Erstarrungsgeschwindigkeit. Im Silizium beispielsweise beträgt der Verteilungkoeffizient von Bor 0,8 und der von Eisen 0,000007. Bor ist also mit diesem Verfahren kaum aus dem Silizium zu entfernen, Eisen hingegen sehr gut. Man unterscheidet horizontales Zonenschmelzen in einem langgestreckten Schiffchen und vertikales tiegelfreies Zonenschmelzen, welches vor allem bei der Herstellung hochreiner Siliziumeinkristalle von Bedeutung ist. Andere Bezeichnungen für Zonenschmelzen sind Floating Zone Verfahren, Fließzonenverfahren oder Zonenfloating.
Vergleiche auch Pedestalverfahren und Czochralski-Verfahren.
Technik des Si-Zonenschmelzens
Czochralski-Verfahren Ein schon vorbereiteter, gereinigter Stab (oder eine Säule) mit noch polykristalliner Kristallstruktur befindet sich in einer Schutzatmosphäre. Durch eine Induktionsheizung wird an einem Ende eine relativ schmale Zone Material aufgeschmolzen. Damit die Zone gleichmäßig aufschmilzt, rotiert der Stab langsam. Die aufgeschmolzene Zone wird mit einem Impfkristall in Berührung gebracht und wächst unter Annahme seiner Kristallstruktur an ihm an. Diese Schmelzzone wird nun langsam durch den Stab bewegt. Die wieder erkaltende Schmelze erstarrt über die gesamte Materialbreite mit einer einheitlichen Kristallstruktur, es bildet sich also hinter der Schmelzzone der gewünschte Einkristall. Fremdatome verbleiben weitestgehend in der Schmelzzone und lagern sich schließlich am Ende der Säule an, welches nach dem Erkalten entfernt wird. Durch mehrmaliges Zonenschmelzen kann die Reinheit weiter gesteigert werden. Eine Dotierung kann durch Beigabe gasförmiger Stoffe, die dann in die Schmelze eindringen, erreicht werden. Industriell sind heute Säulendurchmesser bis zu 12 Zoll (ca. 30 cm) gebräuchlich.
Anwendung
Mit diesem Verfahren ist die Herstellung von hochreinem Silizium und anderen Materialien möglich, jedoch ist es mit sehr hohen Kosten verbunden. Das Silizium wird beispielsweise in Bauelementen der Hochenergietechnik, in der Mikrosystemtechnik, in der Computerindustrie für integrierte Schaltungen (siehe auch Wafer) oder in der Fotovoltaik für die Herstellung von Solarzellen verwendet. Gerade für Solarzellen ist aber diese Reinheit des Siliziums nicht notwendig, so dass sich hier kostengünstigere Verfahren etabliert haben (siehe Solarzelle, Czochralski-Verfahren). Kategorie:Urformen Kategorie:Kristallographie

Induktionsofen
Induktionsofen sind Geräte (Öfen), mit denen metallische Materialien (Kupfer, Eisen, Platin...usw) erwärmt werden können. Ein Induktionsofen überträgt die Energie mittels eines Induktors oder einer Spule. Diese Induktoren und Spulen gibt es in sämtlichen Ausführungen und Variationen. Sie werden meistens für Werkstücke speziell angepasst und gefertigt. Induktionsöfen sind viel effizienter als herkömmliche Erwärmungsmethoden. Die Energie wird direkt in das Werkstück induziert, die Wärme entsteht also direkt im letzteren und muss nicht, wie mit anderen Methoden, noch die Luftstrecke überwinden. Erwärmungsart / Leistungsübertragung in W/cm
- cm
- Konvektion (Wärmemitnahme durch Molekularbewegung) / 0.5
- Strahlung (Elektroofen, Muffelofen) / 8
- Berührung, Wärmeleitung (Kochplatte, Salzbad) / 20
- Flamme (Brenner) / 1´000
- Induktionserwärmung / 30´000 Vorteile des induktiven Erwärmens
- Mit der Induktiven Erwärmung kann man die Wärme, die zugeführt werden sollte, sehr genau dosieren.
- Die Wärme kann viel schneller dem Werkstück zugeführt werden als mit herkömmlicher Strahlungserwärmung. Dies kann bis zu einem Faktor von 1000 besser sein.
- Es können Teile erwärmt werden, die unzugänglich sind, zum Beispiel Metallteile, die eingebettet sind, in Holz, PVC oder in einem Vakuum.
- Induktive Anlagen haben einen viel geringeren Platzbedarf als Strahlungserwärmungsanlagen.
- Dadurch, dass die Wärme im Material selbst entsteht, ist die Wärmestrahlung sehr klein.
- Durch das Wegfallen von starkem Schmutz- und Rauch herrschen bessere Arbeitsbedingungen als mit herkömmlichen Erwärmungsanlagen.
- Die Induktive Erwärmung hat einen viel höheren Wirkungsgrad, bedingt durch kleinere Wärme- und Abstrahlungsverluste. Ein Induktionsofen kann ein tiegelförmiger Schmelzofen sein. Die stromführende Spule, die den Tiegel umgibt, induziert in der Tiegelfüllung starke Wirbelströme, die den Inhalt aufschmelzen und durchmischen. Entsprechend der geringen Tiefenwirkung der Induktion ist das Verfahren nur für kleinere Ofeneinheiten anwendbar (Ofenfüllung 60kg bis 6t). Der völlige Luftabschluß verhindert jede Oxidation und erlaubt das Schmelzen hochlegierter Stähle. Daneben existieren Rinnenöfen, d.h. induktiv beheizte Aggregate, die bei Leichtmetallen Einsatz finden.
Siehe auch

- Lichtbogenofen
Weblinks

- [http://www.plustherm.ch Induktionsofenhersteller wie auch weitere Infos] Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Metallurgie

Kategorie:Magnetismus
In diese Kategorie gehören Beiträge, die zeitunabhängige (elektro-)magnetische Phänomene behandeln. Siehe auch: Magnetismus Kategorie:Elektrodynamik

Kategorie:Wärmeenergietechnik
Kategorie für alle Bereiche der Technik, die sich mit Wärmeenergie und Thermodynamik befassen. Kategorie:Energietechnik
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: U.S. presidential election, 2004

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