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title: Praktikum HH4

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# Praktikum HH4
#### Einführung in die Verbindungs- und Kontakttheorie Elektrische Verbindungen als „hot spot“ in Energieanlagen


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## Grundlagen elektrischer Kontakte und Verbindungen

### 1 - Erklären Sie die Begriffe Mikrokontakt, Engestelle, Fremdschicht, und Gütefaktor.

* **Mikrokontakt / Engstelle**: kleine, leitende Kontaktflächen
* **Fremdschicht**: Oxide, Sulfide, die Leitfähigkeit herabsetzen oder unterbinden
* **Gütefaktor**: Spannungsabfall über Verbindung : Spannungsabfall über homogenen Leiter gleicher Länge
    * $\to$ Verlustleistung, siehe 6.


### 2 - Worin besteht der Unterschied zwischen scheinbarer und wahrer Kontaktfläche?

* **scheinbare Kontaktfläche**: makroskobisch sichtbare Verbindungsfläche
* **mechanisch tragende Kontaktfläche**: berücksichtigt Oberflächenrauheit
* **wahre Kontaktfläche**: berücksichtigt auch Fremdschichten (müssen entfernt oder durchbrochen werden)

$A_w < 4 \% A_s$


### 3 - Warum wird eine schlechte Verbindung zu einer Heißstelle? Welche Folgen kann das haben?

* hohe Stromdichte (Stromlinien eingeschnürt) -> höherer Widerstand -> höhere Verlustleistung (P ~ R)
* Lebensdauer sinkt


### 4 - Skizzieren und erklären Sie das Widerstands-Ersatzschaltbild einer Schraubenverbindung mit Stromschienen.

o----|$R_{M1}$|----|$R_E$|----|$R_F$|----|$R_{M2}$|----o

* $R_M$: Metall-Widerstand (homogen)
* $R_E$: Widerstand der Engstelle
* $R_F$: Widerstand der Fremdschichten
* $R_K = R_E + R_F$: Widerstand des Mikrokontakt

* Strom über Schraube vernachlässigbar gering



### 5 - Wie kann der Engewiderstand berechnet werden?

* nach Kugelmodell von Holm: Engstelle wird als unendlich gut leitende Kugel zwischen den Kontaktstellen abstrahiert, Stromlinien verlaufen dann radial durch diese Kugel

* $R=\int{}{} dR dr$  
* mit $r_a$ -> ∞:   $R_E=\dfrac{\rho}{\pi r_i}$
* genaueres Modell: Ellipsoidmodell


### 6 - Wie ist der Gütefaktor definiert? Wie groß ist der minimal erreichbare Gütefaktor an einer Stromschienenverbindung und bis zu welchem Gütefaktor stellt eine Schraubenverbindung mit Stromschienen keine Heißstelle dar?

siehe Bild 3 Erläuterungen

k_u=U_V/U_L=P_V/P_L=R_V/R_L

* minimal möglich $k_u=0,5$
* bis 1 technisch sehr gute Verbindungen
* bis $k_u=1,5$ keine Heißstelle


### 7 - Beschreiben Sie den Einfluss der Kontaktkraft auf den Verbindungswiderstand.

Kontaktkraft steigt, wahre metallische Kontaktfläche steigt ($R_E$ sinkt), Oxidschichten werden aufgebrochen ($R_F$ sinkt), nahezu exponentieller Zusammenhang

wenn Enge- und Fremdshcichtwiderstand gegen Null gegen nähert sich Kontaktwiderstand dem Materialwiderstand


### 8 - Erklären Sie den Begriff Hysterese im Zusammenhang mit Kontaktkraft und Verbindungswiderstand.

zunächst elastische dann plastische Verformung, Plastizität abhängig vom Material (z.B. Aluminium relativ weich, deshalb stark plastisch)

Hystere bei Verringerung der Kontaktkraft, Kontaktwiderstand nimmt über weite Teile der Kraftverringerung nicht zu, erst bei kleinen Kräften nimmt er stark zu


### 9 - Wie können Verbindungswiderstände im Bereich weniger Mikroohm sicher gemessen werden?
![](https://i.imgur.com/x7HDlNd.png)

* Mittels Thermoelement
    * bestehen aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Elektronenaustrittsarbeiten
    * durch elektrische Reihenschaltung zweier metallischer Verbindungen (z.B. Drähte aus CU und CuNi / Konstatan) entsteht Thermoelement mit einer Mess und einer Vergleichsstelle
    * **Gleichstrommessung**
        * Spannungsabfall über Verbindung muss sehr gering sein und sollte im Bereich der Thermospannung liegen
    * **Wechselstrommessung**
        * Einfluss der Thermospannung durch ständige Stromrichtungsumkehr hebt sich auf
        * Enstehendes Magnetfeld kann allerdings widerum Messung beeinflussen 


## Thermische Beanspruchung elektrischer Betriebsmittel

### 10 - Warum muss die Temperatur an elektrotechnischen Geräten ermittelt werden?

* um Betriebsmittel nach therm. Belastung auszulegen
* therm. Festigkeit/Grenztemperatur darf nicht überschritten werden


### 11 - Wodurch wird die in einem elektrotechnischen Gerät erzeugte Wärmeleistung verursacht?

* Stromwärmeverluste
* Hysterese- oder Wirbelstromverluste
* Dielektrische Verluste
* Verluste in Verbindungen bzw. in Kontakten
* Kapsel- und Mantelstromverluste
* (Sonnen- und Himmelsstrahlung)


### 12 - Welche Arten der Wärmeübertragung treten in einem elektrotechnischen Gerät auf? Erklären Sie die physikalischen Vorgänge, die den einzelnen Wärmeübertragungsarten zugrunde liegen.

* Leitung: Unmittelbare berührung von Teilchen in fest und FL. übertragung durch elastische Wellen, in Gas durch diffusion und in Mettal durch freie Elektronen
* Strahlung: Übertragung durch elektromagnetische Wellen. Stichwort emittieren und absobieren (reflektion). Wellen entstehen durch angeregte valenzelektronen (Bähnder Model).
* Konvektion: Zwichen Feststoff und Gas oder FL auf, sowie zwichen Gas und FL. Wärme übertragung durch leitung dann durch bewegung der (Wärmere)Teilchen. Unterschied zwichen Freier und Erzwungener.

* Allg. ist P(Wäremverluste) proportional von delta T abhängig. Genaue Formel siehe Anleitung. 


### 13 - Was ist die thermische Ortskonstante und wie wird diese grafisch bestimmt? Welche Bedeutung hat sie?

![](https://i.imgur.com/MecHLGW.jpg)


### 14 - Erklären Sie die Funktionsweise eines Thermoelements!

