Gliederung der Vorlesungen Elektrotechnik 1 - WWW
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Gliederung der Vorlesungen Elektrotechnik 1 (33102), Prof. Mario Kupnik Montag, 28. Januar 2013 16:59 (1) Wir leben in einer elektromagnetischen Welt Motivation (Elektromagnetische Welt) Grundlagenbegriffe Elektrizität und Elektron 2 Arten von Ladung Atomaufbau mit wichtigen Kenngrößen Größenordnungen (Zehnerpotenzen) Elementarladung (Quantelung) Leiter, Isolatoren, Halbleiter Aufladen eines Köpers durch Kontaktladung Aufladen eines Köpers Influenz (Induktion) Elektrometer (Ladungsmessung und Polarität) Warum Atomkern trotz positiver Ladungen auf engstem Raum nicht explodiert Vier bekannten Elementarkräfte sortiert nach Stärke und Wirkungsdistanzen (2) Die Ladung spürt eine Kraft verursacht durch ein elektrisches Feld Prinzip der von Coulomb verwendeten Torsionswaage Methodik: Experiment - Beobachtung - Daten - Interpreation - Model - Gleichung Skalare und Vektoren Identische, parallele und anti-parallele Vektoren Kollinearität von Vektoren Coulomb’sches Gesetz (vektorielle Form) - Verstehen der Gleichung Einheitenoperator Überprüfen und Korrigieren einer Gleichung bezüglich Einheiten Inverse quadratische Abhängigkeit Einheitsvektor Elektrische Feldkonstante (Permittivität des Vakuums) Graviationsgesetz als Analogie zum Coulomb’schen Gesetz Berechnung elektrostatische Kraft und Graviationskraft zwischen zwei Protonen (3) Elektrische Feldlinien kreuzen sich nie und stehen senkrecht zur Leiteroberfläche Warum mehr als 2 Ladungen für eindeutige Bestimmung Kräfte bestimmen wenn drei Punktladungen gegeben sind Überlagerungsprinzip (Superposition) Coulomb’sches Gesetz allgemein für N Ladungen Begriff der Probeladung Definition des Elektrisches Feldes über die Probeladung Begriff Skalarfeld als Raumzustand Begriff Vektorfeld als Raumzustand Zwei Darstellungsmöglichkeiten für E-Felder (Vektoren und Feldlinien) Eigenschaften von Feldlinien und deren Konstruktion für verschiedene Beispiele Beispiel wo sich Feldstärken aufheben (feldreier Raumpunkt) Elektrischer Dipol Feldlinien stehen immer senkrecht zur Leiteroberfläche Warum sich Feldlinien nicht kreuzen können Elektrisches Feld einer geladenen Platte (zuerst quantitativ) Elektrisches Feld zwischen zwei geladenen Platten erklärt durch Superposition Begriff des Streufeld (4) Das zeitlich konstante elektrische Feld innerhalb eines Leiters ist gleich Null Elektrischer Fluss (in Vorlesung verwenden wir die Definition nach Giancoli) Normalvektor Integration über offene Fläche Hinweis bezüglich weiterer Definitionsgleichung für den elektrischen Fluss (Verschiebungsfluss) Elektrische Erregung (Verschiebungsflussdichte) Zusammenhang zwischen elektrischen Feld E und Verschiebungsflussdichte D Integration über geschlossene Fläche Gauß’sches Gesetz (hergeleitet aus Coulomb’schen Gesetz) Feldverlauf in und außerhalb einer geladenen leitenden Hohlkugel Begriff der Flächenladungsdichte Feldverlauf bei leitender geladener dünnen Platte Feldverlauf bei beliebiger Leiteroberfläche Feldstärke zwischen zwei geladenen Platten Warum Feld innerhalb eines Leiters gleich Null sein muss Warum Ladungsträger im elektrostatischen Fall ganz knapp unter Oberfläche eines Leiter sitzen Feldstärke knapp bei Leiteroberfläche ermitteln über Flächenladungsdichte (5) Potentiale werden als Skalare addiert, Felder als Vektoren Begriffe Arbeit, Energie, Potential Konservative Kraft bzw. Feld mit Beispielen Elektrische potentielle Energie anhand zweier Punktladungen Mechanische Analogie mit Feder Elektrisches Potential - Definition über Probeladung Potentialverteilung einer geladenen leitenden Hohlkugel außen und innen Zahlenbeispiel von 1uC auf Metallkugel mit 5 cm Radius Durchschlagsspannung in Luft (Geometriebetrachtung) Begriff der Stoßionisation Potentialdifferenz - Elektrische Spannung Einheit Volt pro Meter anhand zwei geladener Platten (6) Ein geladener Kondensator speichert elektrische Energie Freie Wahl des Nullpotentials Einheit des Elektronenvolt (eV) Warum Potentialbetrachtung in Elektrotechnik nützlich ist Äquipotentialflächen Definition Erklärung warum rechter Winkel zwischen E-Feld und Äquipotentialflächen Mathematischer Zusammenhang zwischen Potential und E-Feld Warum das elektrische Feld gleich dem negative Gradient des Potentials ist Kondensator und Begriff der Kapazität mit Einheit (7) Materie zwischen den Kondensatorplatten vergrößert die Kapazität Herleitung Kapazität eines Plattenkondensators und Interpretation Verstehen des Ladevorgangs Speicherung elektrischer Energie inkl. Herlietung der Gleichung Energiedichte Elektrostatische Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten Serien- und Parallelschaltung von Kondensatoren (Serienschaltung ohne Beweis) Materie zwischen Platten - (Materie kann auch Leiter sein) Polarisation Isolatoren im elektrischen Feld (Molekulare Beschreibung von Dielektrika) Dielektrizitätszahl und Permittivität Dielektrikum in Plattenkondensator einbringen unter konstanter Ladung Dielektrikum in Plattenkondensator einbringen unter konstanter Spannung (8) Elektrische Ladungen in Bewegung ergeben einen elektrischen Strom Definierte und tatsächliche Stromrichtung (Historischer Fehler) Elektrisches Feld im Leiter ungleich Null (keine Elektrostatik mehr, sondern Strömungsfeld) Thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen Driftgeschwindigkeit Gleichung für elektrischen Strom über Driftgeschwindigkeit Ampere ist SI Einheit und anderen SI Einheiten Elektrische Leitfähigkeit und damit spezifischen Widerstand herleiten Begriff der Stromdichte und Zusammenhang zum elektrischen Feld Ohm’sches Gesetz herleiten und Grenzen aufzeigen Begriff der Strom-Spannungsbeziehung (linear und nichtlinear) Temperaturabhängigkeit eines Widerstandes mit Beispiel Glühbirne Elektrischer Widerstand als Bauteil Beschriftung und Größe (Bauform) von Widerständen Mikroskopische Erklärung der Energiewandlung im Widerstand (9) Für die Aufrechterhaltung des Stromflusses im Stromkreis ist Energie nötig Elektrische Leistung (Herleitung) Stromkosten und Killowattstunden (kWh) Widerstände in Reihen- und Parallelschaltung (Spannungs- und Stromteiler) Elektrischer Stromkreis Elektromotorische Kraft Elektrische Batterie (10) Die Summe der Potentialänderung entlang jedes geschlossenen Pfades im konservativen Feld ist Null Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom Passiver und aktiver Zweipol (Zweipoltheorie) Quellspannung und Klemmspannung einer Batterie Ideale Spannungs- und Stromquelle mit Innenwiderstand Reale Spannungs- und Stromquelle mit Innenwiderstand Reale Spannungsquelle mit Verbraucher (elektrische Last, Widerstandsgerade und Quelle in einem Diagramm) Arbeitspunkt einer Schaltung Leistungsanpassung Wirkungsgrad Grund warum man Hochspannungsleitungen benötigt (11) Magnete, aber auch elektrische Ströme, erzeugen Magnetfelder Kirchhoff’schen Regeln per Definition Knotensatz entspricht Erhaltungssatz elektrischer Ladung Maschensatz enspricht dem Motto der Vorlesung 10 Physikalische Sichtweise auf Maschensatz (Ringintegral des E-Feld über Wegelemente über eine Masche) Physikalische Sichtweise des elektrischen Feldes innerhalb eines ohm’schen Widerstandes Einführung in die Berechnung linearer elektrischer Netzwerke für Gleichgrößen Maschenstromverfahren mit Beispiel (2 Spannungsquellen verschaltet mir 3 Widerständen) Zweigstromverfahren (wurde in Seminarübung besprochen und geübt) Knotenpunktpotentialverfahren (nur Begriff und Grundidee) Grundlagen Magnetismus (Magnete, magnetische Pole) Elektrischer Monopol existiert, magnetischer Monopol so weit wir wissen nicht Magnetisches Feld und Hauptunterschiede zum elektrischen Feld Begriffe Quellenfeld und Wirbelfeld (12) Auf bewegte Ladungen in einem Magnetfeld wirkt eine Kraft - Wir bauen einen E-Motor Grundlagenexperiment von Hans Christian Oersted (1819) und Bedeutung Begriff Elektromagnetismus Magnetfeld um stromdurchflossenen Leiter Richtung des Magnetfeldes (Korkenzieher-Regel und Rechte-Hand-Regel) Gegenüberstellung Magnet und Elektromagnet Interaktion zwischen Magneten und Elektromagneten (stromdurchflossener Leiter) Zwei Erklärungen für die Richtung der Kraft (2 überlagerte Felder, Wirbelfeld verursacht durch Magneten) Bedeutung des Kreuzproduktes zweier Vektoren Gleichung für Lorentzkraft Kraftwirkung auf bewegte Ladungen im elektrischen und magnetischen Feld Erklärung für Nordlicht (Aurora Borealis) Idee der stromdurchflossenen Drahtschleife im Magnetfeld um Drehbewegung zu erzeugen Herleitung der Gleichung für das Drehmoment auf diese Drahtschleife ausgehend von Lorentz Kraft Gleichung Erkennen der Winkelabhängigkeit dieses Drehmoments Grundidee eines Stromwenders (Kommutator) Tipps für Motorbewerb (13) Eine Spule ist eine geschickte Leiteranordnung für ein stärkeres und homogeneres Magnetfeld Magnetischen Feldstärke (magnetische Erregung H) mit Einheit Gesetz von Biot-Savart Magnetische Flussdichte B mit Einheit Magnetische Feldkonstante (Permeabilität des leeren Raums) Magnetfeld um stromdurchflossenen Leiter berechnen mit Hilfe von Biot-Savart Kraft zwischen zwei stromdurchflossene Leiter (2 Fälle) Magnetfeldverlauf bei einzelner Leiterschleife Grundidee der Spule bezüglich Magnetfeld und Homogenität Toroid Spule (14) Die Zirkulation des Magnetfeldes um eine geschlossene Kurve verrät uns den Gesamtstrom durch die Schleife Ampere’sche Gesetz (Durchflutungsgesetz), hergeleitet über Biot-Savart Kurze Gegenüberstellung von Ampere’schen Gesetz und Biot-Savart Ampere’sches Gesetz und Gauß’sches Gesetz im direkten Vergleich bezüglich deren Bedeutung Berechnung der magnetischen Flussdichte innerhalb einer Zylinderspule mit Ampere’schen Gesetz Magnetfeld im und um einen stromdurchflossenen Leiter mit Hilfe des Ampere’schen Gesetz berechnen Aufbau, Funktionsweise und Vorteile eines Koaxialkabel Magnetischer Fluss mit Herleitung der Einheit Definition Induktivität allgemein und Einheit (15) Magnetisiertes Eisen ist von andauernd in Bewegung befindlichen Ladungen erfüllt Bestimmung der Induktivität einer Zylinderspule im Vakuum Magnetische Dipolmoment Bohr Magneton Begriff Magnetisierung Beziehung zwischen H und B Feld wenn Materie vorhanden ist Streufeld eines Magneten (Hs) Relative Permeabilitätszahl mit wesentlichen Unterschied zum dielektrischen Analogon Begriff der Magnetischen Suszeptibilität Diamagnetische Materialien Paramagnetische Materialien Ferromagnetische Materialien (Spezialfall der Paramagnetischen Materialien, Besonderheit bzgl. Nichtliniearität Weiß’schen Bezirke und Bloch Wände und Erklärung für Zustandekommen der Hysterese B=f(H) Koerzitiv Feldstärke Remanenzmagnetisierung Sättigungsmagnetisierung Sättigungskurve und Neukurve Möglichkeiten der Entmagnetisierung Weich- und Hartmagnetische Materialien Ummagnetisierungsverluste Bestimmung der Induktivität einer Zylinderspule mit Eisenkern
