Grundlagen der Elektrotechnik

Inhaltsverzeichnis

 

4 Elektrische Grundgrößen

Übungsaufgaben

1.   Aus welchen Komponenten besteht der einfache elektrische Stromkreis?
2.   Welche Bedeutung haben die Zählpfeile in einem Stromlaufplan?
3.   In der Elektrotechnik werden Schaltzeichen zur Symbolisierung der verwendeten Bauelemente eines Stromkreises verwendet. Nennen Sie die Unterschiede zwischen Grundsymbolen, Symbolelementen und Kennzeichen.
4.   Welche Regeln gibt es für die Darstellung von Schaltzeichen?
5.   Benennen Sie die nachfolgend aufgeführten Schaltzeichen.
Schaltzeichen 1
6.   Wie groß ist die Ladungsmenge Q, die bei einem konstanten Strom von 500 mA in einer Zeit von 20 ms durch einen Leiter transportiert wird?
7. a) Ermitteln Sie aus dem Datenblatt der Varta High Energy 4906 Mignonzelle die in ihr gespeicherte elektrische Ladungsmenge Q.
  b) Wie lange kann die Mignonzelle einen Funkwecker versorgen, der einen konstanten Strom von 325 µA benötigt?*
*Es wird vorausgesetzt, dass die Mignonzelle über den kompletten Zeitraum bei gleichbleibender Spannung eine konstante Ladungsmenge bereitstellen kann. Bei einer realen Primärzelle sinkt die Spannung und somit auch die Ladungsmenge mit dem Entleeren der Zelle.
8.   Wie groß ist die mittlere Driftgeschwindigkeit der Elektronen in einem Kupferleiter
mit einem Querschnitt von 0,6 mm², wenn durch den Leiter ein konstanter
Strom von 50 mA fließt und pro Kubikmillimeter 1021 Atome im Leitermaterial
vorhanden sind?
9.




Durch eine einzige in einem Kabelkanal verlegte Elektro-Mantelleitung mit einem Querschnitt von 1,5 mm², die zwei vom Strom belastete Adern besitzt, darf bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C nach VDE ein maximaler Strom von 17,5 A fließen. Befinden sich noch vier weitere Mantelleitungen im Kabelkanal, so sinkt der maximal zulässige Strom auf 10,5 A.
  a) Berechnen Sie für beide Verlegesituationen die maximale zulässige Stromdichte.
  b) Warum sinkt der maximal zulässige Strom einer Leitung, wenn sie zusammen mit vier weiteren Leitungen im Kabelkanal als Bündel verlegt wird?
10.   Berechnen Sie die elektrische Energie, die in einer neuen Varta High Energy
4906 Mignonzelle gespeichert ist (Daten: siehe Aufgabe 7!).
11.   In der nachfolgenden Grafik sind unterschiedliche Potenziale dargestellt. Ergänzen Sie die fehlenden Spannungswerte (Potenzialdifferenzen) an den grünen Zählpfeilen.
Aufgabe Potenzialdifferenz
12.   Nennen Sie zwei Möglichkeiten der mechanischen Spannungserzeugung und geben Sie jeweils ein Beispiel aus der Praxis an.
13.   Sie benötigen für den Test einer Digitalschaltung eine Spannung von 5 V ± 5 % und besitzen lediglich eine ältere 9 V-Blockbatterie mit einer Spannung von nur noch 8,9 V und einen geladenen Lithium-Ionen-Akku mit 3,7 V. Wie müssen Sie die Batterie und den Akku zusammenschalten, damit Sie die gewünschte Spannung erhalten?
14.   Welche Bedeutung haben in der Elektrotechnik die Abkürzungen „DC“ und „AC“?
15.


Im unten dargestellten Diagramm ist eine Mischspannung dargestellt, die mit Hilfe einer Gleichspannungsquelle und einem symmetrischen Wechselspannungsgenerator erzeugt werden kann.
Aufgabe Mischspannung
  a) Beschreiben Sie, wie Sie die beiden Spannungsquellen zusammenschalten müssen, damit die dargestellte Spannung entstehen kann.
  b) Auf welchen Spannungswert muss die Gleichspannungsquelle eingestellt werden?
16.   Eine elektronische LED-Blinkschaltung hat einen Betriebswiderstand von 90 kΩ. In der Zuleitung fließt ein Strom von 0,1 mA. Wie groß ist die angelegte Spannung?
17.   Ein Hochdruck-Elektromagnetventil für 24 V hat einen Betriebswiderstand von 606 Ω. Welcher Strom fließt durch das Ventil?
18.   Ein Körperschallmelder, der Aufbruchversuche bei Safes, Geldausgabeautomaten, Nachttresoren und Stahlkammern detektiert, wird mit einer Betriebsspanung von 12 V betrieben. Seine Stromaufnahme in Ruhe beträgt 3 mA und bei Alarm 5 mA. Zeichnen Sie die Widerstandsgeraden des Körperschallmelders für diese Betriebszustände in die Diagrammvorlage und beschriften Sie die Geraden mit den berechneten Widerstandswerten.
19. a) Gegeben ist ein Diagramm mit zwei Widerstandskennlinien. Bestimmen Sie durch geeignete Wahl eines Punktes auf den jeweiligen Kennlinien die einzelnen Widerstandswerte.
Bitte beachten Sie: Um genauere Ergebnisse zu erhalten, ist es sinnvoll, einen Punkt auf jeder Kennlinie zu suchen, der auf einer grauen Rasterlinie (oder einem Rasterkreuz) liegt und sich auf dem oberen Ende der Kennlinie befindet. Die Ablesegenauigkeit ist im oberen Kennlinienteil größer.
  b) Wie groß sind die Leitwerte?
20.   Welche Widerstandswerte, Toleranzen und ggf. Temperaturkoeffizienten haben die dargestellten Widerstände?
Aufgabe Widerstandsfarbcode
21.   Zwischen welchen Widerstandswerten kann ein Kohleschichtwiderstand der E24-Reihe mit einem Nennwert von 5,6 MΩ aufgrund der Fertigungstoleranz schwanken?
22. a) Wie groß ist der Betriebswiderstand einer Signallampe mit den Nenndaten 2,5 V / 0,3 A?
  b) Bestimmen Sie anhand der nichtlinearen Lampenkennlinie den Widerstand der Signallampe bei einer Spannung von 1,2 V.
23.   Eine Stromschiene aus Kupfer mit einer Breite von 50 mm und einer Stärke von 10 mm hat eine Gesamtlänge von 40 m. Wie groß ist der Widerstand der Schiene?
γCu = 56 m/(Ω·mm²)
24.   Der Widerstand einer Telefonleitung (Hin- und Rückweg!) mit einem Leiterquerschnitt von 0,6 mm² soll 50 Ω nicht überschreiten. Wie lang darf die Telefonleitung maximal werden?
ρCu = 0,01785 (Ω·mm²)/m
25.



Durch eine Elektroinstallationsleitung mit einem Leiterdurchmesser von d = 1,382 mm fließt ein Strom von 15 A. Der zulässige Spannungsfall auf der Leitung (Hin- und Rückweg!) darf nach DIN 18015-1 maximal 3 % der Netzspannung 230 V betragen (Δu = 3 %). γCu = 56 m/(Ω·mm²)
  a) Wie groß ist der Leiterquerschnitt und wie hoch ist der Leitungswiderstand bei einer Länge von 32 m?
  b) Welcher Spannungsfall ΔU tritt auf der Leitung auf?
  c) Auf welche Länge muss die Leitung gekürzt werden, damit die DIN-Norm eingehalten wird?
26.   Die Kupferwicklung eines Elektromotors hat einen Widerstand von 285 Ω bei einer Temperatur von 20 °C. Nach längerem Betrieb steigt der Widerstandswert auf 325 Ω.
Auf welchen Wert ist die Wicklungstemperatur angestiegen?
27.   Ein 20 km langes Freileitungsseil besteht aus 26 einzelnen Aluminium-Leitern mit einem Durchmesser von je 3,45 mm.
Die fehlenden materialspezifischen Daten entnehmen Sie bitte der Werkstoffdaten-Tabelle.
  a) Wie groß ist der Gesamtleiterquerschnitt des Seils?
  b) Welchen Widerstand und Leitwert hat das Seil bei einer Temperatur von 20 °C?
  c) Um welchen Betrag nimmt der Widerstand zu, wenn sich das Seil im Sommer auf eine Temperatur von 45 °C erwärmt?
28.   Auf einer Spule mit einem mittleren Spulendurchmesser von 30 mm wurden 520 Windungen eines Kupferlackdrahtes mit einem Durchmesser von 0,15 mm aufgewickelt. An die Spule wird bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C eine Spannung von 12 V gelegt. Nach längerer Betriebsdauer nimmt der Strom um 10 % ab.
  a) Wie groß ist der Strom kurz nach dem Einschalten?
  b) Wie hoch ist die Stromdichte kurz nach dem Einschalten?
  c) Um welchen Wert steigt die Temperatur im Kupferlackdraht?
29. a) Warum müssen Sie zur Messung des Stromes mit einem Multimeter den Stromkreis auftrennen?
  b) Wie groß muss der Innenwiderstand des Messgerätes bei der Strommessung sein? Begründen Sie Ihre Antwort.
30.   Eine Strommessung kann auch mit Hilfe einer Stromzange vorgenommen werden. Auf welche Weise wird bei dieser die Höhe des Stromes erfasst?
31.   Wie ist ein Voltmeter mit seinen beiden Anschlussleitungen an die dargestellte Schaltung anzuschließen, wenn eine Spannungsmessung an dem Widerstand R2 vorgenommen und ein positiver Spannungswert angezeigt werden soll?
Aufgabe Spannungsmessung

 

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