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Elektrotechnik-Anfänger

21.07.2018,
21:32
 

Experiment zur elektrischen Leistung (Bauelemente)

Guten Abend liebe Forenmitglieder!

Ich bin Anfänger in der Elektrotechnik und interessiere mich für die elektrische Leistung. In diesem Zusammenhang habe ich Fragen wie beispielsweise: "Wie viel sind denn 1 Watt?" und dergleichen. Um diese Fragen zu beantworten, habe ich mir ein Experiment ausgedacht.

Als Ausgangspunkt verwende ich dabei den folgenden Hochlast-Zementwiderstand:
https://www.monacor.de/produkte/components/lautsprechertechnik/frequenzweichen-und-bauteile/lsr-56-10/?r=pdf

Wenn ich jetzt zum Beispiel wissen möchte, wie viel 1 Watt elektrische Leistung ist, um ein Gefühl dafür zu bekommen, kann ich dazu den genannten Widerstand an eine Spannungsversorgung anschließen und dann eine entsprechende Spannung (sowie geeignete Strombegrenzung) einstellen, die eine Leistung von 1 Watt erzeugt?
Das wären dann etwa 2,4 Volt.

Kann ich auf diese Weise die 1 Watt als Wärme am Widerstand spüren?


Viele Grüße
Elektrotechnik-Anfänger

Hartwig(R)

21.07.2018,
22:05

@ Elektrotechnik-Anfänger

Experiment zur elektrischen Leistung

Hallo,
Du wirst eine geringe Erwärmung spüren. Deine Spannungsversorgung wird ja mehr als 2,4V liefern können, so kannst du gut experimentieren und beobachten, wie heiss so ein Widerstand werden kann.
Grüsse
Hartwig

Elektrotechnik-Anfänger

21.07.2018,
22:16

@ Hartwig

Experiment zur elektrischen Leistung

» Hallo,
» Du wirst eine geringe Erwärmung spüren. Deine Spannungsversorgung wird ja
» mehr als 2,4V liefern können, so kannst du gut experimentieren und
» beobachten, wie heiss so ein Widerstand werden kann.
» Grüsse
» Hartwig

Danke Hartwig.

Was ich am Widerstand spüre ist die Wärme. Entspricht die Wärme dann einer eingestellten Leistung? Also kann 1 Watt an Leistung sich in Wärme äußern oder beispielsweise auch in der Fähigkeit ein Rad zu bewegen?

Viele Grüße
Elektrotechnik-Anfänger

Gast

21.07.2018,
23:30

@ Elektrotechnik-Anfänger

Experiment zur elektrischen Leistung

» Was ich am Widerstand spüre ist die Wärme. Entspricht die Wärme dann einer
» eingestellten Leistung? Also kann 1 Watt an Leistung sich in Wärme äußern

Wenn du deinen Widerstand nimmst, erwärmt er sich. Wenn du aber z.B. einen 1000W-Widerstand nehmen würdest, würdest du die 1W nicht in einer Erwärmung spüren.

Du redest im Konjunktiv. Worauf willst du hinaus?

simi7(R)

D Südbrandenburg,
22.07.2018,
00:07

@ Gast

Experiment zur elektrischen Leistung

» Wenn du deinen Widerstand nimmst, erwärmt er sich. Wenn du aber z.B. einen
» 1000W-Widerstand nehmen würdest, würdest du die 1W nicht in einer Erwärmung
» spüren.

Das ist etwas missverständlich.
Natürlich wird der 1000W-Widerstand genauso erwärmt.
Es ist nur deswegen weiniger zu spüren weil sich die Wärme auf die größere Bauform verteilt.

Pitsch

22.07.2018,
10:07

@ Elektrotechnik-Anfänger

Experiment zur elektrischen Leistung

» oder beispielsweise auch in der Fähigkeit ein Rad zu bewegen?
»
» Viele Grüße
» Elektrotechnik-Anfänger

Hallo
Also direkt ein Rad bewegen, wird Dir die Elektrische Leistung von 1 Watt nicht.
Dazu brauchst Du eine Energie-Umwandlung. Z.B. über ein Magnetfeld (z.B. Spule, Motorprinzip) das dann die elektrische Energie, in mechanische Energie umwandelt.
Nur musst Du beim umwandeln von Energieformen in eine Andere, immer mit Verlusten (Wärme, Magnetische Wiederstände, Wirbelstromverluste etc... rechnen.
Wenn Du also die 1 Watt Leistung wie auch immer auf ein Rad überträgst, wirst Du am bewegten Rad nicht mehr 1 Watt Mechanische Leistung messen können.

Mit vfreundlichen Grüssen! Pitsch

gast

22.07.2018,
10:38

@ Elektrotechnik-Anfänger

Watt, PS und Ergometer

» Guten Abend liebe Forenmitglieder!
»
» Ich bin Anfänger in der Elektrotechnik und interessiere mich für die
» elektrische Leistung. In diesem Zusammenhang habe ich Fragen wie
» beispielsweise: "Wie viel sind denn 1 Watt?"

Du kannst mal versuchen 1 Watt in PS umrechnen.

Vielleicht beginnst du mit 1000W = 1kW in PS Umrechnen (Google mal)
Was bring dir das?
PS ist gut nachvollziehbar definiert.
1 PS = 75kg in 1 Sekunde um einen Meter heben.

Also wenn du gut trainiert bist wirst du kurzzeitig 1PS zusammen bringen.

Du kannst die auch mal mit einem Ergometer beschäftigen.
Bei 150W wird es langsam echt mühsam - sage ich aus eigener unsportlicher Erfahrung.

Du kannst auch mal googeln was Profiradrennfahrer so für Leistungen erbringen.
(mehr als meine 150W)

schaerer(R)

Homepage E-Mail

Zürich (Schweiz),
22.07.2018,
11:08

@ Elektrotechnik-Anfänger

Experiment zur elektrischen Leistung

Hallo Elektrotechnik-Anfänger

» elektrische Leistung. In diesem Zusammenhang habe ich Fragen wie
» beispielsweise: "Wie viel sind denn 1 Watt?" und dergleichen. Um diese
» Fragen zu beantworten, habe ich mir ein Experiment ausgedacht.

» Als Ausgangspunkt verwende ich dabei den folgenden
» Hochlast-Zementwiderstand:
» https://www.monacor.de/produkte/components/lautsprechertechnik/frequenzweichen-und-bauteile/lsr-56-10/?r=pdf
»
» Wenn ich jetzt zum Beispiel wissen möchte, wie viel 1 Watt elektrische
» Leistung ist, um ein Gefühl dafür zu bekommen, kann ich dazu den genannten
» Widerstand an eine Spannungsversorgung anschließen und dann eine
» entsprechende Spannung (sowie geeignete Strombegrenzung) einstellen, die
» eine Leistung von 1 Watt erzeugt?
» Das wären dann etwa 2,4 Volt.

Für diese Leistung von 1 W genügt es wenn Du die Spannung von 2.4 V einstellst. Eine Strombegrenzung musst Du nicht einstellen, weil der Widerstand selbst begrenzt den Strom.

Trotzdem ist die Strombegrenzung nützlich, wenn Du mit der Spannung experimentierst. Wenn Du die Spannung hochfährst auf z.B. den doppelten Wert von 4.8 V (ohne eingestellte Strombegrenzung), dann erzeugst Du am 5.6-Ohm- Widerstand die 4-fache Leistung von 4 W. Das hält dieser Widerstand noch immer aus. Stellst Du die Spannung jedoch auf 10V ein, dann ist die Spannung etwa 4 mal und aber auch der Strom ebenfalls 4 mal und damit die Leistung mit 16 W, 16 mal grösser. 16 W, das ist zuviel!
(Genau genommen ist es etwas mehr als 16W...)

Mit dem Einstellen des maximalen Stromes auf 1.3 A (bei Kurzschluss) kannst Du mit dem Widerstand von 5.6 Ohm bis zu einer Spannung von 7.4 V hochfahren. Mehr geht nicht, weil Strombegrenzung setzt ein. Diese 7.4 V erzeugen am 5.6-Ohm-Widerstand seine maximal zulässige Leistung von etwa 10W.

Zweck dieser Beschreibung ist es, dass es Dich als Elektrotechnik-Anfänge motiviert, das Ohmsche Gesetz mit der Leistungsberechnung zu studieren. Dazu zwei Links aus dem ELKO:

. . . . . "Ohmsches Gesetz"
. . . . . . . https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201113.htm

. . . . . "Elektrische Leistung P"
. . . . . . . https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201114.htm

» Kann ich auf diese Weise die 1 Watt als Wärme am Widerstand spüren?

Wie bereits beantwortet, ja, aber nur schwach. Bei der Maximalleistung von 10 W spürst es deutlich und berührst den Widerstand auch nur kurz, weil dieser nämlich eine deutlich höhere Temperatur erträgt als Dein Finger (biologischer Wärmesensor). :-D
.

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
http://tinyurl.com/timerbuch
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
http://tinyurl.com/opamp-instrumamp-buch

Hartwig(R)

22.07.2018,
14:31

@ schaerer

Experiment zur elektrischen Leistung

Hallo Thomas:
ich finde das "Fühlen" des errechneten Modells einen sehr guten Ansatz, sich in diese Materie einzuarbeiten.
Die Wahl des ersten "Experimentierwiderstandes" ist schon richtig, und Du hast die weiteren möglichen Experimente beschrieben. Der TE sollte ruhig einmal den Widerstand bis an seine Grenze von 10W belasten, sich aber nicht gleich die Finger verbrennen. In dem Zusammenhang möchte ich (für den TE) ergänzen, dass die maximale Belastung von Widerständen immer an bestimmte Bedingungen wie die Umgebungstemperatur gebunden ist - mit zunehmender Umgebungstemperatur reduziert sich die maximale Belastbarkeit eines Widerstandes (oder anderen Bauteils). Toleranzen der in der Schaltung verwendeten Bauelemente sowie Schwankungen der Versorgungsspannung müssen in der Praxis bei der Dimensionierung der Belastbarkeit eines Widerstandes berücksichtigt werden, da kommen schnell Abweichungen von 10-20% oder darüber zusammen. Daher sollte man die Betriebsbelastung eines Widerstandes nie auf das Maximum der Belastbarkeit legen, sondern entweder eine genaue Berechnung durchführen (was oft aufwändig ist). Häufig reicht es, einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur Maximalbelastung zu halten, also dafür zu sorgen, dass der Widerstand im Normalbetrieb so bei 60-70% seiner Maximallast betrieben wird. Ich empfehle durchaus, sich einmal das Datenblatt eines solchen Drahtwiderstandes genau anzusehen und zu versuchen, die Parameter zu den Betriebsbedingungen zu verstehen. (das verlinkte Datentenblatt ist da leider wenig ergibig, aber bei Vitrohm oder Vishay findet man Datenblätter vergleichbarer Widerstände). Grundsätzlich braucht man dieses Wissen auch, um z.B. die Kühlung von Leistungshalbleitern zu verstehen und festzulegen. Die bereits angesprochene "Energieformwandlung" in mechanische Energie ist dann ein weiteres Kapitel.
Viele Grüße
Hartwig

schaerer(R)

Homepage E-Mail

Zürich (Schweiz),
22.07.2018,
16:30

@ Hartwig

Experiment zur elektrischen Leistung

Hallo Hartwig,

» ich finde das "Fühlen" des errechneten Modells einen sehr guten Ansatz,
» sich in diese Materie einzuarbeiten.

Da bin ich als Praktiker voll Deiner Auffassung. Das Fühlen und Erleben ist enorm wichtig, soweit das irgendwie möglich ist. Beim Experimentieren ist das Erleben und damit sind auch Emotionen mit dabei. Das muss so sein und wirkt bereichernd.

Der ganze Beitrag von Dir kann ich nur begrüssen. Jeder Elektronik-Beginner sollte so etwas lesen.

Mir ging es einfach gleich auch darum, einen Anstoss zu geben in Richtung Ohm'sches Gesetz, weil das kommt ganz schnell auf den Elektronik-Beginner zu, weil schliesslich ist es sehr fundamental. Kommt quasi vor jedem nächsten Schritt... :-D

--
Gruss
Thomas

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Elektrotechnik-Anfänger

22.07.2018,
20:26

@ schaerer

zusammenhang zwischen Temperatur und elektr. Leistung

Vielen Dank für die wertvollen Hinweise und die Begrüßung meines Experimentes!

Etwas ist mir noch nicht so ganz eindeutig:
Wenn der Widerstand nun 1 Watt elektrische Leistung "verbraucht", spüre ich das, wie schon gesagt, als Wärme. Diese Wärme ist nun aber wiederum Wärmeenergie. So gesehen fühle ich ja nicht direkt die 1 Watt Leistung. Wie hängen also Temepratur und elektrische Leistung zusammen?

Viele Grüße
Elektrotechnik-Anfänger

Hartwig(R)

23.07.2018,
00:59

@ Elektrotechnik-Anfänger

zusammenhang zwischen Temperatur und elektr. Leistung

» Vielen Dank für die wertvollen Hinweise und die Begrüßung meines
» Experimentes!

Hallo,
»
» Etwas ist mir noch nicht so ganz eindeutig:
» Wenn der Widerstand nun 1 Watt elektrische Leistung "verbraucht",

die Leistung (besser die Energie in Wattsekunden = Joule) wird nicht verbraucht, sondern im Widerstand in Wärme umgesetzt und an die Umgebung abgegeben.

» spüre ich das, wie schon gesagt, als Wärme.

» Diese Wärme ist nun aber wiederum
» Wärmeenergie. So gesehen fühle ich ja nicht direkt die 1 Watt Leistung. Wie
» hängen also Temepratur und elektrische Leistung zusammen?

Damit begibst Du dich tiefer in die Thermodynamik - Stichwort "Wärmekapaziät". Die Wärmekapazität für einen Stoff beschreibt, welche Energie benötigt wird, um 1kg dieses Stoffes um 1K (grd) zu erwärmen. Die Werte dazu kann man einem Tabellenbuch entnehmen. Wenn Du also den Wert für das Material hast, aus dem der Widerstand besteht (die Masse bildet das Isolationsmaterial, also Keramik), kann man eine einfache Berechnung mit dem Gewicht des Widerstandes, der Wärmekapazität und der zugeführten Energie durchführen. Da wir dabei die Energie - also eine zeitabhängige Größe - einsetzen, spielt die Zeit ebenfalls eine Rolle. Nach dieser Formel würde sich der Widerstand mit einer Spannungsquelle immer weiter erwärmen, abhängig von der Zeit, in der der Strom fließt. In der Praxis gibt der Widerstand aber durch seine Oberfläche und seine Anschlußdrähte ständig Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab. Dadurch wird sich in deinem praktischen Versuch bald ein Gleichgewicht einstellen, die elektrische Energiezufuhr und die Energieabgabe durch Konvektion sind dann etwa gleich. Die Wärmeabgabe des Widerstandes an die Umgebung wird durch den thermischen Widerstand definiert, für die Bauform Deines 10W-Widerstandes wird dieser Wärmewiderstand bei etwa 40K/W (Kelvin/Watt) liegen. Der Wert ist bei Hochlastwiderständen i.A. im Datenblatt angegeben. Mit anderen Worten: Die gefühlte Wärme wird durch die Bauart des Widerstandes (Material und Größe), dessen Kühlung durch Konvektion (und über die Anschlußdrähte), die Umgebungstemperatur und die Zeit beeinflußt. Würdest Du statt des 10W-Widerstandes einen 1/4-Watt Widerstand einsetzen, würde dieser wahrscheinlich sehr heiß werden und die auch durch Rauchzeichen deutlich zeigen ;-)
»
» Viele Grüße
» Elektrotechnik-Anfänger
Grüße
Hartwig

Sel(R)

Radebeul,
23.07.2018,
07:52

@ Hartwig

zusammenhang zwischen Temperatur und elektr. Leistung

» » Vielen Dank für die wertvollen Hinweise und die Begrüßung meines
» » Experimentes!
»
» Hallo,
» »
» » Etwas ist mir noch nicht so ganz eindeutig:
» » Wenn der Widerstand nun 1 Watt elektrische Leistung "verbraucht",
»
» die Leistung (besser die Energie in Wattsekunden = Joule) wird nicht
» verbraucht, sondern im Widerstand in Wärme umgesetzt und an die Umgebung
» abgegeben.
»
» » spüre ich das, wie schon gesagt, als Wärme.
»
» » Diese Wärme ist nun aber wiederum
» » Wärmeenergie. So gesehen fühle ich ja nicht direkt die 1 Watt Leistung.
» Wie
» » hängen also Temepratur und elektrische Leistung zusammen?
»
» Damit begibst Du dich tiefer in die Thermodynamik - Stichwort
» "Wärmekapaziät". Die Wärmekapazität für einen Stoff beschreibt, welche
» Energie benötigt wird, um 1kg dieses Stoffes um 1K (grd) zu erwärmen. Die
» Werte dazu kann man einem Tabellenbuch entnehmen. Wenn Du also den Wert für
» das Material hast, aus dem der Widerstand besteht (die Masse bildet das
» Isolationsmaterial, also Keramik), kann man eine einfache Berechnung mit
» dem Gewicht des Widerstandes, der Wärmekapazität und der zugeführten
» Energie durchführen. Da wir dabei die Energie - also eine zeitabhängige
» Größe - einsetzen, spielt die Zeit ebenfalls eine Rolle. Nach dieser Formel
» würde sich der Widerstand mit einer Spannungsquelle immer weiter erwärmen,
» abhängig von der Zeit, in der der Strom fließt. In der Praxis gibt der
» Widerstand aber durch seine Oberfläche und seine Anschlußdrähte ständig
» Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab. Dadurch wird sich in deinem
» praktischen Versuch bald ein Gleichgewicht einstellen, die elektrische
» Energiezufuhr und die Energieabgabe durch Konvektion sind dann etwa gleich.
» Die Wärmeabgabe des Widerstandes an die Umgebung wird durch den thermischen
» Widerstand definiert, für die Bauform Deines 10W-Widerstandes wird dieser
» Wärmewiderstand bei etwa 40K/W (Kelvin/Watt) liegen. Der Wert ist bei
» Hochlastwiderständen i.A. im Datenblatt angegeben. Mit anderen Worten: Die
» gefühlte Wärme wird durch die Bauart des Widerstandes (Material und Größe),
» dessen Kühlung durch Konvektion (und über die Anschlußdrähte), die
» Umgebungstemperatur und die Zeit beeinflußt. Würdest Du statt des
» 10W-Widerstandes einen 1/4-Watt Widerstand einsetzen, würde dieser
» wahrscheinlich sehr heiß werden und die auch durch Rauchzeichen deutlich
» zeigen ;-)

Kann man auch selbst sehr gut erfühlen:
Wenn man den Widerstand mit dem Finger nur antippt, spürt man die Wärme. Aber wenn man ihn in der Faust einschließt und bissel wartet, dann wirds deutlich wärmer. Obwohl immer dieselbe elektrische Leistung umgesetzt wird.

LG Sel

--
******************************************
Ich bin ein Elektronikbastler, der nur durch Schmerzen begreift, was schlauere Leute im Forum an Wissen vermitteln können.

schaerer(R)

Homepage E-Mail

Zürich (Schweiz),
23.07.2018,
09:16
(editiert von schaerer
am 23.07.2018 um 09:18)


@ Hartwig

zusammenhang zwischen Temperatur und elektr. Leistung

Hallo Hartwig,

Das ist exzellent und schrittweise prima nachvollziehbar erklärt. Der passende Einstieg, wenn jemand neu sich mit einer Leistungsendstufe mit Kühlkörper/profil befassen will. K/W lässt grüssen. :ok: :-D

» Damit begibst Du dich tiefer in die Thermodynamik - Stichwort
» "Wärmekapaziät". Die Wärmekapazität für einen Stoff beschreibt, welche
» Energie benötigt wird, um 1kg dieses Stoffes um 1K (grd) zu erwärmen. Die
» Werte dazu kann man einem Tabellenbuch entnehmen. Wenn Du also den Wert für
» das Material hast, aus dem der Widerstand besteht (die Masse bildet das
» Isolationsmaterial, also Keramik), kann man eine einfache Berechnung mit
» dem Gewicht des Widerstandes, der Wärmekapazität und der zugeführten
» Energie durchführen. Da wir dabei die Energie - also eine zeitabhängige
» Größe - einsetzen, spielt die Zeit ebenfalls eine Rolle. Nach dieser Formel
» würde sich der Widerstand mit einer Spannungsquelle immer weiter erwärmen,
» abhängig von der Zeit, in der der Strom fließt. In der Praxis gibt der
» Widerstand aber durch seine Oberfläche und seine Anschlußdrähte ständig
» Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab. Dadurch wird sich in deinem
» praktischen Versuch bald ein Gleichgewicht einstellen, die elektrische
» Energiezufuhr und die Energieabgabe durch Konvektion sind dann etwa gleich.
» Die Wärmeabgabe des Widerstandes an die Umgebung wird durch den thermischen
» Widerstand definiert, für die Bauform Deines 10W-Widerstandes wird dieser
» Wärmewiderstand bei etwa 40K/W (Kelvin/Watt) liegen. Der Wert ist bei
» Hochlastwiderständen i.A. im Datenblatt angegeben. Mit anderen Worten: Die
» gefühlte Wärme wird durch die Bauart des Widerstandes (Material und Größe),
» dessen Kühlung durch Konvektion (und über die Anschlußdrähte), die
» Umgebungstemperatur und die Zeit beeinflußt. Würdest Du statt des
» 10W-Widerstandes einen 1/4-Watt Widerstand einsetzen, würde dieser
» wahrscheinlich sehr heiß werden und die auch durch Rauchzeichen deutlich
» zeigen ;-)

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
http://tinyurl.com/timerbuch
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
http://tinyurl.com/opamp-instrumamp-buch

Hartwig(R)

23.07.2018,
10:19

@ schaerer

zusammenhang zwischen Temperatur und elektr. Leistung

» Hallo Hartwig,
Hallo Thomas,
»
» Das ist exzellent und schrittweise prima nachvollziehbar erklärt.
danke! - eigentlich ist das nur das Ohmsche Gesetz als Analogie zum Wärmeübergang. Wir haben hier eine Spannungsquelle, belastet mit einem RC-Netzwerk....
Grüße
Hartwig

Hartwig(R)

23.07.2018,
10:55

@ Sel

zusammenhang zwischen Temperatur und elektr. Leistung

Hallo Sel,
» Kann man auch selbst sehr gut erfühlen:
» Wenn man den Widerstand mit dem Finger nur antippt, spürt man die Wärme.
» Aber wenn man ihn in der Faust einschließt und bissel wartet, dann wirds
» deutlich wärmer. Obwohl immer dieselbe elektrische Leistung umgesetzt
» wird.

ja, aber versuch das auch mal bei 10W :-D

ich gehe mal davon aus, dass der thermische Widerstand (Rth Zement-Haut) zwischen dem Widerstandskörper und der Faust in der er eingeschlossen ist, deutlich kleiner ist als der thermische Widerstand bei Konvektionskühlung (Rth Zement-Luft). Auch hat Deine Hand einen "Offset" von etwa 35°C. Die Hand leitet also besser Wärme ab, als es die Umgebungsluft tut. Aber bis 35°C wirkt sie als Wärmequelle gegenüber der Raumtemperatur. Man das also als RCR-Netzwerk mit Spannungsquelle betrachten (grob vereinfacht), die Hand wäre dann ein Lastwiderstand, der auf einer Vorspannung liegt. Und dann kommt noch das Zeitverhalten dazu.

»
» LG Sel

Grüsse
Hartwig