Grundlagen der Elektrotechnik: Kondensatoren, Magnetismus, LEDs und Transistoren
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Kondensator: Zwei Metallplatten
Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten, die als Armierung bezeichnet werden und durch ein isolierendes Material, das Dielektrikum, getrennt sind. Wenn eine Spannung angelegt wird, verhindert das Dielektrikum den Stromfluss zwischen den Armierungen. Es kommt zur Ladungsansammlung auf den Armierungen. Die negative Ladung sammelt sich auf der Armierung, die mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist, und die positive Ladung auf der Armierung, die mit dem Pluspol verbunden ist.
Die Wirkung des Dielektrikums ist die Ladungsansammlung auf den Armierungen und die Polarisation. Wenn die Spannung getrennt wird, bleibt die Ladungsansammlung erhalten. Wird eine externe Verbindung hergestellt, fließt ein Strom und der Kondensator entlädt sich in seinen ursprünglichen Zustand.
Elektrische Kapazität
Die elektrische Kapazität ist die Fähigkeit eines Kondensators, Ladung bei einer bestimmten Spannung zu speichern. Sie wird in Farad (F) gemessen.
MF = 10-6 F (Mikrofarad)
nF = 10-9 F (Nanofarad)
pF = 10-12 F (Picofarad)
Schaltung von Kondensatoren
Reihenschaltung
1/CT = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3
Parallelschaltung
CT = C1 + C2 + C3
Typen von Kondensatoren
Festkondensatoren haben eine feste Kapazität.
Variable Kondensatoren ermöglichen die Veränderung der Kapazität durch Bewegung der Armierung.
Kapazität eines isolierten Kondensators
In jedem Kondensator besteht eine Beziehung zwischen Ladung und Potential: C = q/V.
Die Kapazität hängt von der Form und Größe des Kondensators ab.
Magnetische Wirkung von Strom
Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld um den Leiter. Die Richtung des Magnetfelds hängt von der Richtung des Stroms ab.
Magnetfeld einer kreisförmigen Schleife
Eine stromdurchflossene kreisförmige Schleife erzeugt ein Magnetfeld ähnlich dem eines Stabmagneten.
Solenoid
Ein Solenoid ist eine Spule aus eng gewickelten Drahtwindungen. Das Magnetfeld eines Solenoids ähnelt dem eines Stabmagneten.
Elektromagnet
Ein Elektromagnet ist eine elektrische Komponente, die sich wie ein Magnet verhält, wenn Strom durch sie fließt. Er besteht aus einem Eisen- oder Stahlkern, um den ein Draht gewickelt ist. Jede Windung des Drahtes wird als Spule bezeichnet. Wenn der Elektromagnet an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird, zieht er Eisenobjekte an, da ein Magnetfeld erzeugt wird.
Ein Solenoid ohne Kern ist kein Elektromagnet. Elektromagnete werden in Elektromotoren, Generatoren, Lautsprechern, Schlössern usw. verwendet.
Magnetische Wirkung von Strom
Ein Strom erzeugt ein Magnetfeld um den Leiter. Die Richtung des Magnetfelds hängt von der Richtung des Stroms ab.
Magnetfeld einer kreisförmigen Schleife
Eine stromdurchflossene kreisförmige Schleife erzeugt ein Magnetfeld ähnlich dem eines Stabmagneten.
Solenoid
Ein Solenoid ist eine Spule aus eng gewickelten Drahtwindungen. Das Magnetfeld eines Solenoids ähnelt dem eines Stabmagneten. Wenn ein Eisenkern eingeführt wird, verstärkt sich das Magnetfeld, da das Eisen zum Gesamtmagnetismus beiträgt.
LED
Wenn ein elektrischer Strom durch eine LED (Light Emitting Diode) fließt, emittiert das Halbleitermaterial Licht. Vorteile sind geringerer Energieverbrauch und längere Lebensdauer (ca. 10 Jahre). Eine 7-Segment-Anzeige ist eine alphanumerische Anzeige, die Buchstaben und Zahlen darstellen kann. Sie besteht aus einem Array von LEDs, die durch eine programmierbare elektronische Schaltung angesteuert werden. In großen Bildschirmen werden rote, grüne und blaue LEDs verwendet, um alle anderen Farben zu erzeugen. Infrarot-LEDs werden in Fernbedienungen verwendet, um Befehle mit unsichtbarem Licht an den Fernseher zu senden.
Transistor
Ein Transistor ist eine elektronische Komponente aus Halbleitermaterial, die aus drei Teilen besteht: Emitter, Basis und Kollektor.
Es gibt zwei Arten von Transistoren: PNP und NPN. Die Basis ist immer das wichtigste Element für den Betrieb des Transistors, da bereits kleine Schwankungen des Basisstroms eine große Änderung des Stroms zwischen Emitter und Kollektor bewirken. Es können zwei Stromkreise unterschieden werden: der Steuerstromkreis und der Arbeitsstromkreis. Es gilt: IE = IC + IB und IC = β * IB.