Grundlagen der Technik und Materialien

Punkt 1: Industrien und Nachhaltigkeit

Industrielle Extraktion, Transformation und Verarbeitung

Die industrielle Extraktion (Primärindustrie) liefert Rohstoffe. Die industrielle Transformation verarbeitet Materialien (industrielle Materialien). Die industrielle Verarbeitung stellt Produkte her, die später verwendet werden.

Transformationsindustrien

• Hütten- und Metallindustrie: Gewinnt verschiedene Metalle aus Erzen.
• Petrochemie: Trennt und verarbeitet Ölverbindungen durch Destillation.
• Holzindustrie: Verarbeitet Stämme und Äste von Bäumen durch Schleifen, Kochen und Mischen.
• Textil- und Lederindustrie: Verantwortlich für die Entwicklung von Geweben aus natürlichen und künstlichen Fasern durch Spinnen und Weben.
• Naturfaser- und Keramikindustrie: Verwandelt bestimmte nicht-metallische Gesteine und Mineralien in Keramik, Glas, Zement oder Gips.

Nachhaltige Entwicklung

Umsetzung neuer Formen der wissenschaftlichen, technologischen und sozialen Entwicklung, die darauf abzielen, die Verschlechterung der Erde zu verhindern.

Probleme:

• Erschöpfung der Ressourcen: Große Schäden in Wäldern, Aussterben einiger Tierarten.
• Umweltverschmutzung: Wasser und Boden werden durch städtische, landwirtschaftliche und industrielle Einleitungen verschmutzt.
• Ungleichheit bei der Verteilung: Die meisten Industrieländer verbrauchen die meisten Ressourcen und verschmutzen, während der Rest Schwierigkeiten beim Überleben hat.
• Abfallerzeugung: Übermäßiger Konsum erschöpft nicht nur Ressourcen, sondern produziert auch große Mengen an Abfall und Müll.

Die 3 "R"-Regel

• Reduzieren: Nicht notwendige Produkte nicht konsumieren.
• Wiederverwenden (Reuse): Neue Verwendungsmöglichkeiten für ein Produkt finden.
• Recyceln (Recycling): Wenn ein Produkt nicht mehr verwendet werden kann, werden Material oder Teile davon zur Herstellung neuer Produkte verwendet.

Punkt 2: Polymere und Kunststoffe

Polymerisation

Chemische Reaktion unter hohem Druck und hoher Temperatur, bei der lange Ketten von Monomeren gebildet werden, die als Grundmoleküle Polymere (Makromoleküle) bilden.

Eigenschaften von Kunststoffen

• Geringes Gewicht: Aufgrund der geringen Dichte von Kunststoffen.
• Isolationsfähigkeit: Thermisch und elektrisch.
• Chemische Beständigkeit: Ermöglicht es ihnen, Witterungseinflüssen und aggressiven chemischen Substanzen standzuhalten, ohne sich zu verändern.
• Mechanische Beständigkeit: Akzeptabel, erreicht aber nicht die von metallischen Materialien.
• Vielseitigkeit: Die Möglichkeit, einige Eigenschaften durch Zugabe von Additiven zu verändern.
• Einfache Verarbeitung: Aufgrund ihrer einfachen Formbarkeit und der Möglichkeit, bei moderaten Temperaturen alle Arten von Formen anzunehmen.

Arten von Kunststoffen

• Thermoplaste: Erweichen bei Hitze und nehmen Formen an, die durch Abkühlen beständig sind. Sie können mehrmals eingeschmolzen und gegossen werden.
• Duroplaste (Termoestables): Werden nur einmal durch Druck und Hitze verformt und erreichen eine innere Konsistenz, die sie daran hindert, sich erneut zu verformen.
• Elastomere: Hohe Elastizität, können bis zum Mehrfachen ihrer ursprünglichen Größe verformt werden und kehren in ihre ursprünglichen Dimensionen zurück, wenn die Kraft, die die Verformung verursacht, nicht mehr wirkt.

Punkt 3: Baustoffe

Naturstein-Materialien

• Magmatische Gesteine: Gebildet durch das Erstarren von geschmolzenem Material aus dem Inneren der Erde.
• Sedimentgesteine: Entstehen auf verschiedene Weise:
  • Ansammlung von Fragmenten anderer Gesteine.
  • Kristallisation oder Ansammlung von mineralisierten organischen Resten.
• Metamorphe Gesteine: Gebildet aus magmatischen und sedimentären Gesteinen, die natürlichen Umwandlungen aufgrund von hohem Druck erfahren.

Herstellungsprozess von Glas: Schmelzen

Das Schmelzen erfolgt, indem zerkleinerte Rohstoffe in Öfen bei Temperaturen von über 1300 °C erhitzt werden. Das geschmolzene Material wird in die entsprechende Form gebracht (Platten oder Hohlkörper durch Blasen) und dann abgekühlt.

Beton und Stahlbeton

Beton: Ist eine Mischung aus einem Bindemittel mit Sand, Kies und Wasser. Er muss in einem Betonmischer gemischt werden. Nach dem Mischen wird er in eine Form gegossen und dann durch Stochern, Stampfen und Rütteln verdichtet.

Stahlbeton: Er besteht aus Beton und Bewehrungsstahl, der als raue Oberfläche in Bereichen eingesetzt wird, in denen Zugkräfte auftreten.

Metallische Werkstoffe

• Edelstahl: Hohe Beständigkeit. Leicht recycelbar unter Beibehaltung seiner Eigenschaften.
• Kupfer: Hohe Formbarkeit und Duktilität, die die Herstellung einer Vielzahl verschiedener Produkte ermöglicht. Sehr robust und korrosionsbeständig in jeder Atmosphäre. Leicht recycelbar unter Beibehaltung seiner Eigenschaften.
• Aluminium: Geringes Gewicht bei guter mechanischer Festigkeit und leichter Bearbeitbarkeit. Hohe Feuerbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber atmosphärischen Einflüssen. Sehr langlebig, benötigt nur wenig Wartung. Beliebig oft recycelbar, ohne seine Eigenschaften zu verlieren.

Punkt 4: Energie

Energiequellen

• Konventionelle (nicht erneuerbare): Fossile Brennstoffe, Kernspaltung.
• Erneuerbare: Wasserkraft.
• Alternative: Windenergie, Solarenergie, Biomasse, Geothermie, Wellenenergie.

Fossile Brennstoffe

• Kohle: Reichhaltigster fossiler Brennstoff in mineralischer Form, wird in Kraftwerken und der Hüttenindustrie verwendet.
• Erdöl: Gemisch aus festen, flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Die Trennung erfolgt durch fraktionierte Destillation in Raffinerien.
• Erdgas: Besteht aus Kohlenwasserstoffen, ist aber sehr leicht und gasförmig.

Verteilung elektrischer Energie

Transport über Hochspannungsleitungen. Die Hochspannung wird in der Nähe von Industriegebieten oder Ortschaften auf Niederspannung reduziert. Das Anheben und Absenken der Spannung erfolgt in Umspannwerken.

Kernkraftwerke

Thermische Leistung, bei der die notwendige Energie für Wasserdampf bei hohen Temperaturen durch Kernspaltung oder die Spaltung radioaktiver Atomkerne gewonnen wird.

Gewinnung von Windenergie

Windkraftanlagen werden an Orten mit hoher Windgeschwindigkeit aufgestellt. Diese Anlagen verfügen über Steuerungen, die den Betrieb und die Ausrichtung der Windkraftanlagen in Abhängigkeit von den durch die Rotorblätter und Anemometer gesammelten Daten regeln.

Punkt 5: Magnetismus und Elektrizität

Magnetismus und Anwendungen

Natürliche Magnete sind bestimmte Eisenminerale in der Natur mit magnetischen Eigenschaften. Künstliche Magnete erhalten magnetische Eigenschaften durch verschiedene Verfahren.

Anwendungen:

• In Geräten und elektrischen Apparaten wie Lautsprechern usw.
• In elektronischen Geräten wie Relais zur Steuerung des elektrischen Stromflusses.
• In vielen industriellen Prozessen, zum Bewegen von Teilen oder zum Trennen von Eisen und anderen Stahlmaterialien.

Ohmsches Gesetz und Formeln

Ohmsches Gesetz: I = U / R
Elektrische Energie: E = V * I * T
Elektrische Leistung: P = E / T = V * I = R * I²

Punkt 6: Elektronische Bauteile

Elektronische Bauteile

• Diskrete Bauteile: Sind einzelne, einfache Einheiten, die verwendet werden.

  Typen:

  • Passive: Diejenigen, die die Amplitude der ankommenden Signale nicht verändern.
  • Aktive: Verstärken oder verändern Signale, werden aus Halbleitermaterialien hergestellt.
• Integrierte Schaltung: Besteht aus aktiven und passiven Komponenten, die auf einem einzigen Chip miteinander verbunden sind, wodurch Mikrochips entstehen.

Widerstandstypen

• Festwiderstände: Konstanter Widerstandswert. Sie sind in verschiedenen Größen erhältlich, abhängig von der Leistung, die sie aushalten müssen.
• Variable Widerstände: Ändern ihren Widerstand, wenn ein physikalischer Parameter variiert.

  Gruppen:

  • Potentiometer: Variieren ihren Widerstand manuell zwischen 0 und einem im Gehäuse angegebenen Maximalwert.
  • Abhängige Widerstände: Deren Widerstand von den physikalischen Umgebungsbedingungen abhängt.

Anwendungen von Widerständen

Festwiderstände fungieren als Strombegrenzer und werden daher zum Schutz anderer Bauteile verwendet, die keinen zu hohen Strom vertragen.

Potentiometer ermöglichen es uns, ihren Widerstand zu variieren, was sie als Regler für Strom und Spannung nützlich macht.

Abhängige Widerstände, deren Widerstandsänderung von verschiedenen physikalischen Größen abhängt, können als Sensoren in automatischen Systemen verwendet werden.

Kondensatoren

Passive Bauteile zur Speicherung elektrischer Ladung. Bestehen aus 2 leitenden Platten, die durch eine Schicht dielektrischen Materials getrennt sind. Q = C * V.

Funktionsweise: Wenn eine Batterie angeschlossen wird, gibt die Platte mit höherem Potenzial Elektronen an die andere Platte ab, die ein geringeres Potenzial hat. Die Elektronen bewegen sich durch eine Schaltung, wodurch eine Platte mit +q und die andere mit -q geladen wird. Beim Trennen der Batterie verschieben sich die gespeicherten Elektronen, um in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren.

Kondensatortypen

• Festkondensatoren: Mit fester Kapazität, die auf dem Gehäuse angegeben ist.

  Klassen:

  • Elektrolytkondensatoren: Haben eine Polarität, die beachtet werden muss.
  • Nicht polarisierte: Deren Dielektrikum aus Keramik, Kunststoff oder Papier bestehen kann und keine Polarität aufweist.
• Variable Kondensatoren (Drehkondensatoren): Bestehen aus beweglichen Platten, die durch Verschieben ihre überlappende Fläche ändern, wodurch sich die Kapazität ändert.

Punkt 7: Wellen

Wellen-Eigenschaften

• Periodendauer (T): Zeit für eine Schwingung.
• Frequenz (f): Anzahl der Schwingungen pro Sekunde und entspricht dem Kehrwert der Periodendauer (1/T).
• Wellenlänge (λ): Der Abstand zwischen zwei Wellenbergen.
• Amplitude: Die maximale Auslenkung eines Teilchens, das von der Welle aus seiner Ruhelage bewegt wird.

Wellenarten

• Mechanische Wellen: Die ein Medium zur Ausbreitung benötigen.
• Elektromagnetische Wellen: Können sich im Vakuum ausbreiten und auch durch bestimmte Materialien.

Elektromagnetisches Spektrum

Auf der einen Seite befindet sich die gefährliche Strahlung mit kürzerer Wellenlänge und hoher Frequenz. In der mittleren Zone befinden sich Strahlung wie ultraviolettes Licht, Infrarotlicht und das sichtbare Spektrum. Am anderen Ende befinden sich Radiowellen mit großen Wellenlängen und niedrigen Frequenzen, die für verschiedene Funklösungen verwendet werden.

Punkt 8: Maschinen und Motoren

Maschinen und Anlagen: Funktionsweise

• Eingangsleistung: Alle Maschinen und Geräte benötigen Energie, um zu funktionieren.
• Mechanismen und Getriebe: Im Inneren der Maschinen sind sie beteiligt, um die empfangene Energie zu übertragen und umzuwandeln, um die gewünschten Effekte zu erzielen.
• Betriebseffekte: Maschinen und Anlagen zeichnen sich durch ihre Funktionsweise aus. Viele Maschinen erzeugen gleichzeitig mehrere Effekte.

Antriebsarten von Maschinen

• Elektrisch: Gewonnen aus dem Netz, Batterien oder Photovoltaikzellen.
• Thermochemisch: Aufgrund ihrer chemischen Natur, durch Verbrennung von Brennstoff, thermische Energie, die in unter Druck stehenden Fluiden verwendet wird.
• Hydraulisch/Pneumatisch: Druckluft oder unter Druck stehende Flüssigkeit, geliefert durch Kompressoren oder Pumpen, verwendet zum Heben von Lasten, Bohren usw.
• Mechanisch: Die durch Muskelkraft erzeugten Kräfte sind nützlich für Werkzeuge usw.

Motortypen

• Elektromotoren: Beziehen Energie aus elektrischem Gleichstrom, geliefert von Batterien oder Akkus, oder aus Wechselstrom, der über das Stromnetz bezogen wird.
• Verbrennungsmotoren: Nutzen die Energie von Brennstoffen. Bei externer Verbrennung findet die Verbrennung außerhalb der Maschine statt, um ein Fluid zu erwärmen. Verbrennungsmotoren nutzen fossile Brennstoffe wie Öl.

Der Viertakt-Verbrennungsmotor

Ist der am häufigsten verwendete Verbrennungsmotor.

1. Ansaugen: Der Kolben bewegt sich im Zylinder nach unten und saugt Luft-Benzin-Gemisch an.
2. Verdichten: Die Ventile schließen, der Kolben steigt und verdichtet das Gemisch.
3. Arbeitstakt (Explosion): Der Funke der Zündkerze entzündet das Gemisch, wodurch der Kolben nach unten gedrückt wird.
4. Ausstoßen: Der Kolben steigt wieder nach oben und drückt die Abgase nach außen.

Mechanische Übertragungssysteme

Übertragen die mechanische Leistung des Motors auf verschiedene Teile der Maschine mithilfe von Wellen, Riemen, Ketten, Hebeln usw. Sie wandeln Kräfte oder Geschwindigkeiten um, wandeln Drehbewegungen in lineare Bewegungen um und steuern die Bewegung der Motoren. Sie dienen dazu, plötzliche Geschwindigkeitsänderungen zu regulieren, Bewegungen zu verlangsamen oder in eine bestimmte Richtung zu verhindern.