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The basics of electrical engineering for the PC user: Basics explained in an easy-to-digest way (Part 1)

My name is Bernhard Baumgartner and some of you may already know me from other basic articles. Igor has asked me to write an article or rather a series of articles for you in order to give you a better understanding of what can be a rather dry subject: “Basic electrical engineering”. The background is clear, because in a few days’ time it will be all about graphics cards, load peaks and other subtleties that require a certain amount of basic knowledge. And to make sure you get the full picture when the time comes, here are a few basics in advance. Of course, some will now shake their heads knowingly and think, what’s this all about? But for the inquiring youth there is (hopefully) some new knowledge and for the rest at least a little refresher before the big bad boys come and throw colorful pixels at us again.

My approach to explaining this topic should be relaxed and easy to understand, always peppered with examples from real life and related to computers, which we all feel so comfortable with. I can still remember my first lesson in electrical engineering at vocational school very clearly and I hated it. I really did! Over time, however, this discipline became more and more interesting, so I even changed my specialization to electronics during my vocational training. After three years, I had my journeyman’s certificate as an “automotive mechatronics technician for vehicle communication technology” and from then on I went into automotive development, including training as an instructor. What I didn’t like at the beginning has developed into a real passion, even my professional focus. In the course of this article, I hope to infect someone after all.

So sit down, put your feet up, grab a cookie and have fun on Monday!

Bohr’s atomic model

When you ask people what electricity, electronics and current actually are and that you should explain it to five-year-olds, it quickly becomes clear that it’s not that easy. Yes, electricity is to a large extent quite abstract. You can’t smell electrons, you generally can’t see or hear them either – homo sapiens simply don’t have the sensors for it. At most, if you stick your finger in the socket. This is also the reason why electricity is really dangerous! So if you ever want to do handicrafts or are interested in the subject, make sure you familiarize yourself with the five safety rules and the effects of electricity on health beforehand!

If we want to understand electricity, we can use an impressive thought experiment: Imagine you are sitting in an electrical engineering laboratory and there is a piece of cable on the table in front of you. If we were to zoom in closer and closer to the cable with our eyes, we would soon see that the cable is not a single, solid conductor, but consists of small, individual strands. On closer inspection, these copper strands have a textured surface with sharply defined areas. Some parts are lighter and some darker; we have now arrived at the grain level. If we zoom in further, we see a 3D grid, where each connecting point is a copper atom. We are now at the atomic level and that is exactly where we need to be to understand what electricity actually is and how it works.

If we look at the picture, we see the nucleus (nucleus, red and green), which consists of an equal number of neutrons (neutral charge, green) and protons (positive charge, red). If the nucleus is isolated from the rest of the atom, its total charge is positive. The electrons (blue), which orbit the nucleus, serve as the negative charge. The orbits are not fixed orbits, as in a satellite, for example, but should rather be seen as “probability spaces”. If we add the negative electrons to the positive atomic nucleus, we get a neutral atom because the charges are balanced. It is striking that there are some electrons that orbit closer to the nucleus and others further away from it.

This has to do with energy absorption and release. If an electron has a high energy (eV / electron volt), it can orbit the nucleus further out. If it has less energy, it moves closer to the nucleus. As a mnemonic, you can think of it like spaceships in Earth orbit: A spaceship with powerful propulsion can leave the Earth’s gravitational field further than a fart ship that only has a Chinese banger on the back. The most important aspect of this finding for us is that those interested in electronics only need to remember that there are free electrons (FE, blue) on the outermost orbit and can therefore jump back and forth between neighboring atomic nuclei. It could be said that a small amount of energy absorption is enough for these free, unbound electrons to move to the next atomic nucleus. They don’t have far to go, they are already on the outside anyway..

Let us now consider a series of cubes, each of whose corners is a copper atom. If we now apply an electrical potential of 0V to one end and a potential of 12 volts to the other, the free electrons begin to move in a directional motion (red arrows). This is exactly what electricity is: the directional movement of electrons. BRUTAL!

Brain download: Electric current is the directional movement of free electrons in conductive materials! Electrons always have a negative potential, while the atomic nucleus is positively charged!

 

 

Kommentar

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strolch1969

Neuling

8 Kommentare 8 Likes

Gut und verständlich. Gefällt mir, auch als Elektroniker, richtig gut.
Einen Rechner zusammenschrauben können die meisten. Jedoch das ganze auch sinnvoll und mit möglichst hoher Effizienz zu tun, da trennt sich die Spreu vom Weizen. Da ist u.a. solches Wissen unerlässlich. Bitte mehr davon.

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grimm

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3,639 Kommentare 2,707 Likes

Ich sage es mal so: Du hast mit diesen Erklärungen meine Physik-Defizite komplett beseitigt. Hätte mir mehrere Jahre bei didaktisch überforderten Lehrkräften sparen können, wenn ich den Artikel damals gehabt hätte. Wird sicher bei meinen Kids zum Einsatz kommen. Sehr gut!

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e
eastcoast_pete

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3,074 Kommentare 2,035 Likes

@Bernhard: Schließe mich @strolch1969 und @grimm an! Solche Hintergrunds Artikel sind immer wieder gut zu haben!
Eine Anregung, wenn's nach dem Teil 2 auch einen Teil 3 geben wird: die Kapitelüberschriften eines etwaigen Teiles 3 im Abschluss von Teil 2 anteasern. So weiß man als Leser bereits, was als nächstes kommt, und hält die Augen offen dafür.
Völlig OT: verfolgt sonst noch jemand die Live Übertragung des (hoffentlich) ersten Starts von Blue Origins New Glenn von Cape Canaveral ? Vielleicht sehe ich ja, was meine ganzen Bestellungen auf Amazon auch mit finanziert haben 🚀.

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D
Dezor

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510 Kommentare 227 Likes

Sehr schöner Artikel mit gutem Kompromiss aus Verständlichkeit, Informationsdichte und wissenschaftlicher Korrektheit. Für mich als studierter Physiker war bis auf die Wortherkunft von "Kondensator" allerdings nichts neues dabei. ;)

2 Kleinigkeiten habe ich aber noch anzumerken:

  • Auf Seite 2 solltest du noch die Querschnittsfläche erwähnen und eventuell die Einheiten für den spezifischen Widerstand ergänzen.
  • Auf Seite 5 bei "Mathematische Darstellung" hast du anscheinend einen Fehler beim Latex-Code mit der Mathe-Umgebung. Das sieht so etwas wild aus ...

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Tesetilaro

1

596 Kommentare 265 Likes

DANKE!!!! anders kann man es nicht formulieren... direkt "abgespeichert" - auch bei mir eher für die Söhne, weil mein Physiklehrer ähnlich gut erklären konnte... Btw. wenn Igor meinen alten SSD Grundlagenartikel wieder findet und Interesse besteht, den kannst Du gerne mal aufpeppen ;)

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Igor Wallossek

1

13,158 Kommentare 26,145 Likes
T
Tom42

Mitglied

78 Kommentare 56 Likes

Danke für die Auffrischung meines Wissens!

Bitte mehr davon.

Hatte einen sehr guten Physiklehrer in der 12./13. Klasse, Dr. Franz Bader.

Hier der Nachruf von 2018: https://www.stuttgarter-nachrichten...gte.ac3c6d6f-6134-4c63-a2a3-c04946d6f2dd.html

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e
eastcoast_pete

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3,074 Kommentare 2,035 Likes

Der Experimentalphysik Prof, den ich im Grundstudium hatte, war auch so einer - ausgezeichnet, konnte die Materie toll vermitteln. War eine der Vorlesungen, die ich - wenn irgend möglich - wirklich nicht verpassen wollte. Bei einigen anderen hingegen...na ja.

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Midnight Angel

Veteran

228 Kommentare 178 Likes

Is it just me, oder fehlt die gewöhnliche Diode (die mit ohne Leuchten) in der Aufstellung der Bauteile?

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RazielNoir

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788 Kommentare 384 Likes

Wenn sich Westinghouse damals nicht durchgesetzt hätte, wie würde unsere Elektrowelt wohl heute aussehen...

Danke für die tolle Erklärung!

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nobbes

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71 Kommentare 43 Likes

hm, ja die Infos sind gut, aber teilweise falsch.
Seite 5:
dort steht, "da fließen 230V Wechselstrom", V ist die Spannung und die liegt an und fließt nicht, das macht A der Strom.
Auch die Darstellung der 230V Wechselspannung ist falsch, es sind +115 V und -115 V, die die 230 V Wechselspannung ergeben. ;)

/klugscheißmodus :D

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B
Bernhard

Mitglied

20 Kommentare 32 Likes

Huch! Da hast du recht, das habe ich falsch erzählt! Der Messwert ist ja Spitze-Spitze und nicht Amplitude. Vielen Dank für den Hinweis und Entschuldigung!

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B
Bernhard

Mitglied

20 Kommentare 32 Likes

Da fehlen so einige Bauteile in beiden Kategorien :) Ich habe manche weggelassen, sonst wäre die Liste so lange. Vielen Dank aber für den Hinweis!

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D
Dezor

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510 Kommentare 227 Likes

@nobbes Bei der unglücklichen Formulierung bin ich bei dir.

Bei der Spannung gibt es aber meines Wissens nach nur in Amerika zwei Phasen die gegenläufig arbeiten. In Deutschland hast du 3 Phasen, die um 120° Phasenverschoben sind und untereinander jeweils Ueff = 400 V haben. Eine einzelne Phase davon schwankt um ca. 320 V (glaube ich, da Ueff = Û / √2 wenn ich mich richtig erinnere) gegen dem Neutralleiter. Oder mache ich gerade einen Denkfehler?

Edit Û / √2 natürlich ... Ich brauche erstmal einen neuen Kaffee ...

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nobbes

Mitglied

71 Kommentare 43 Likes

Kann mir ehrlich gesagt nicht vorstellen, dass es in Amiland keinen drei Phasen Strom (Drehstrom) gibt.
Vllt. in den Haushalten dort, aber große E-Motoren oder Mashcinen brauchen das fast immer und sowas wird dort ja auch betrieben.
Bei uns kommen immer drei Phasen + 0 an und die teilt man dann auf, wie man es braucht bzw. für Durchlauferhitzer oder E-Herde wird Drehstrom verwendet, wegen der hohen Leistung, die Herde ziehen.
jepp und so wären es 460 V, das würde schön knallen.

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PeppCorl

Mitglied

10 Kommentare 6 Likes

Super verständliche Anleitung! Finde die Skizzen toll, so kann man solche abstrakten Vorgänge gut visualisieren.

Als Materialwissenschaftler hätte ich durch grobes Drüberfliegen bei Seite 1 wenige Anmerkungen:

- die freien Elektronen einer metallischen Bindung führen zu einem Elektronengas. Metallische Bindungen haben weniger als 4 Elektronen auf der äußersten Schale, wodurch man keine kovalente oder ionische Bindung mehr bekommt. Deshalb wird versucht die Edelgaskonfiguration (gesättigte Schale) durch Abgabe der Valenzelektronen an ein gemeinsames Elektronengas herzustellen. Die Elektronen sind in dem Fall quasi keinem Atom mehr zugeordnet und unlokalisiert. Diese Bindung ist deshalb auch schwächer als andere Bindungsarten, weshalb man u.a. Metalle auch recht gut verformen kann.

- die Gitterstruktur von Cu ist kubisch-flächenzentriert wodurch auch an allen Seitenflächen ein Cu Atom sitzt. Abgebildet ist das kubisch primitive Gitter.

Hier auch eine Darstellung wie man sich ein Elektronengas (blau) vorstellen müsste.

View image at the forums

Quelle: https://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/bindung/metallbindung.html

Danke für den tollen Artikel!

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Klicke zum Ausklappem
S
SpiritWolf448

Veteran

136 Kommentare 55 Likes

Sieht irgendwie aus wie Sommerschlußverkauf aus der Vogelperspektive.... ;)

Und für den hervorragenden Artikel ein sehr dickes "Dankeschön!" und einen (y)

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Martin Gut

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9,259 Kommentare 4,659 Likes

Ich denke, das kann man schon so schreiben. Der Wechselstrom fliesst. Die Angabe 230 V ist eine zusätzliche Spezifikation, eine Eigenschaft des Wechselchstroms und nicht das Hauptwort.

400 V / √ 3 = 230 V
Versorgt werden die Gebäude mit dreiphasigem Wechselstrom mit 400 V. Dieser wird direkt für stärkere Maschinen, Kochherde und so verwendet. Davon nimmt man 2 Phasen und bekommt zweiphasigen Wechselstrom mit 230 V für die Haushaltssteckdosen.

Ich kenne die Installationen in USA nicht, aber es dürfte das selbe sein, nur jeweils mit der halben Spannung. Der Nachteil ist, dass bei der halben Spannung für die selbe Leistung der doppelte Strom fliessen muss und damit die Leitungsverluste doppelt so hoch sind. Dadurch können von der Trafostation bis zu den Haushalten weniger grosse Distanzen überwunden werden. Man muss die Stromversorgung also engmaschiger mit mehr (dafür kleineren) Transformatoren aufbauen damit die Verluste nicht zu gross werden und die Spannung zu stark abfällt.

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D
Dezor

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510 Kommentare 227 Likes

Man braucht nur eine Phase, die hat zurm Nullleiter 230 V effektive Spannung. Zwei beliebige Phasen haben zueinander 400 V Differenz als effektive Spannung. Und tatsächlich lag ich mit meinen ca. 320 V für die maximale Spannung Û fast richtig:

Laut Wikipedia werden Häuser bis 100 kW in den USA wohl normalerweise per "Einphasen Dreileiternetz" versorgt. https://de.wikipedia.org/wiki/Einphasen-Dreileiternetz Für größere Verbraucher gibt es dort aber auch etwas ähnliches ...

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Danke für die Spende



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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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