Fragen zur Selbstkontrolle, Vorlesung Elektrotechnik 2 (Bachelor)
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Fragen zur Selbstkontrolle, Vorlesung Elektrotechnik 2 (Bachelor) Wichtige Vorbemerkung: Diese Fragen dienen zur Selbstkontrolle und sollen die Vorbereitung auf die Vorlesungsprüfung unterstützen. Es handelt sich jedoch um keinen kompletten Fragenkatalog; tatsächliche Prüfungsfragen (mündlich sowie schriftlich) unterscheiden sich durchaus in Inhalt, Umfang und Art der Fragen. 1 Elektrostatik 1.1 Was ist ein Skalarfeld? Nennen Sie ein Beispiel! 1.2 Was ist ein Vektorfeld? 1.3 Was ist ein Gradientenfeld? Nennen Sie ein Beispiel! 1.4 Wie ist das Linienintegral über ein Vektorfeld definiert? 1.5 Was ergibt die Integration eines Gradientenfeldes zwischen zwei verschiedenen Punkten? Warum? 1.6 Was ergibt die Integration eines Gradientenfeldes entlang einer geschlossenen Linie? Warum? 1.7 Was sind Feldlinien? Wie könnten Sie (prinzipiell) konstruiert werden? 1.8 Was ist ein Tensorfeld? 1.9 Wie ist die elektrische Feldstärke definiert? 1.10 Wie ergibt sich aus dem Coulomb Gesetz die elektrische Feldstärke einer Punktladung? 1.11 Wie kann aus dem bekannten Feld einer Punktladung das Feld einer kontinuierlichen Ladungsverteilung ermittelt werden? 1.12 Wie ist die Ladungsdichte definiert? 1.13 Wie hängen elektrisches Potenzial und elektrische Feldstärke zusammen? 1.14 Was ist das Potenzial einer Punktladung? 1.15 Was ist die Energie einer Punktladung im elektrostatischen Feld? 1.16 Wie kann man aus dem Potenzial einer Punktladung das Potenzial einer Ladungsverteilung ermitteln? 1.17 Was ist der elektrische Fluss? 1.18 Wie kommt man prinzipiell von der Feldverteilung von Punktladungen auf den Satz vom Hüllenfluss? 1.19 Wie lauten die Maxwell-Gleichungen für die Elektrostatik (in Integralform)? 1.20 Was ist ein elektrostatischer Dipol? Wie kann man sein Feld berechnen (im Prinzip)? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_ETII_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 25.06.2008 15:25:00 B. Jakoby 1.21 Was ist Influenz? 1.22 Wie lauten die Randbedingungen der Elektrostatik auf Leiteroberflächen? Warum? 1.23 Was ist eine Kapazität? Wie hängen Ladung und Spannung zusammen? 1.24 Berechnen Sie die Kapazität eines Plattenkondensators aus der grundlegenden Definition für die Kapazität und aus einer angenommenen idealisierten Feldverteilung. 1.25 Was sind Teilkapazitäten? Wie können Sie mit den elektrischen Teilflüssen in Zusammenhang gebracht werden? 1.26 Wie kann man aus den Gesetzen der Elektrostatik und der Definition des Stromes einfach die Strom-Spannungsbeziehung für Kapazitäten angeben? 1.27 Wie kann man die Divergenz durch ein Hüllintegral definieren? Was für ein Ausdruck ergibt sich dadurch in kartesischen Koordinaten? 1.28 Was ist der Nabla Operator? Was ist beim Umgang mit dem Nabla-Operator zu beachten (betreffend seiner Operator und Vektoreigenschaften)? 1.29 Wie lautet der Integralsatz von Gauß und wie kann man ihn aus der Definition der Divergenz ableiten? 1.30 Wie kann man die Rotation durch ein Ringintegral definieren? Was für ein Ausdruck ergibt sich dadurch in kartesischen Koordinaten? 1.31 Wie lautet der Integralsatz von Stokes und wie kann man ihn aus der Definition der Rotation ableiten? 1.32 Wie lauten die Maxwell-Gleichungen der Elektrostatik in Differentialform? Wie kann man daraus eine Differenzialgleichung für das Potenzial herleiten? 1.33 Wie lautet die Lösung der Laplace’schen Differenzialgleichung? 1.34 Was ist die Energie einer Ladungsverteilung (Punktladungen)? 1.35 Wie lautet die Energiedichte im elektrischen Feld und wie haben wir sie prinzipiell hergeleitet? 1.36 Was ist Polarisation in Dielektrika? Wie ist die Feldgröße Polarisation definiert? Was ist ein Dipolmoment? 1.37 Wie wird die Polarisation in die Maxwell Gleichungen eingebracht (im Prinzip, es steckt eine längere Ableitung dahinter)? 1.38 Nach welchem einfachen Modell können polarisierbare Medien beschrieben werden und welche einfache Form der Maxwell-Gleichungen resultiert daraus? 1.39 Wie ändern sich die Verhältnisse für einen Kondensator nach Einbringung eines Dielektrikums? 1.40 Wie kann die Kraft zwischen Kondensatorplatten ermittelt werden? 1.41 Was ist der Maxwell’sche Spannungstensor im Prinzip und wie kann er hergeleitet werden (im Prinzip)? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_ETII_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 25.06.2008 15:25:00 B. Jakoby 2 Elektrisches Strömungsfeld 2.1 Was ist elektrischer Strom (physikalisch gesehen)? 2.2 Wie ist die elektrische Stromstärke definiert und wie hängt sie mit der Stromdichte zusammen? 2.3 Zusammenhänge Leitfähigkeit, (bewegliche) Ladungsdichte, mittlere Driftgeschwindigkeit, Beweglichkeit (auch bei mehreren Ladungsträgersorten) 2.4 Wie sieht die Kontinuitätsgleichung für die Ladung aus? 2.5 Stromfluss in Drähten: Herleitung des Widerstands eines Drahtstücks 2.6 Was ist ein stationäres Strömungsfeld und was sind die Grundgleichungen? 2.7 Gesetze beim Übergang von Strömungen zwischen Materialien verschiedenen Leitwerts (mit Herleitung). Ist die Grenzfläche ladungsfrei? 2.8 Herleitung Maschen- und Knotengleichung für Netzwerke aus den Feldgleichungen 2.9 Überlegen Sie sich wo beim Kondensator Widersprüche bei quasistationärer Behandlung auftreten. 2.10 Energieumsatz in einem Widerstand und in einem allgemeinen Zweipol 2.11 Prinzipielle Funktion Batterie (chemische Kraft, Potenzialverlauf) 2.12 Welche Rolle spielt die kinetische Energie der Elektronen beim Energieübertrag vom Generator zum Verbraucher? 3 Magnetostatik und elektromagnetische Induktion 3.1 Definition (Messung) der magnetischen Induktion über Lorentz-Kraft 3.2 Magnetostatische Grundgleichungen im Vakuum (Differenzielle und Integral-Form) 3.3 Zusammenhang Magnetostatik – stationäre Strömung 3.4 Definition magnetischer Fluss, Durchflutung 3.5 Wie sieht das Magnetfeld um einen stromführenden Draht aus? 3.6 Wie groß ist die Kraft auf einen stromführenden Leiter (Herleitung) und die Kraft zwischen zwei Leitern? Wie ist das Ampere definiert? 3.7 Was ist das Vektorpotenzial? 3.8 Leiten Sie eine Differenzialgleichung für das Vektorpotenzial her. Wie ist die allgemeine Lösung? 3.9 Prinzipielle Herleitung des Gesetzes von Biot-Savart 3.10 Was besagt der Fundamentalsatz der Vektoranalysis? 3.11 Wie können magnetisierbare Materialien charakterisiert werden? (Def. magnetisches Dipolmoment, Magnetisierung, Materialstromdichte) Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_ETII_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 25.06.2008 15:25:00 B. Jakoby 3.12 Wie wird die Hilfsgröße „magnetische Feldstärke“ eingeführt? (Herleitung des Zusammenhangs zwischen Magnetisierung und materieller Stromdichte nicht notwendig, prinzipieller Zusammenhang) 3.13 Wie kommt man zur Definition der relativen Permeabilität? 3.14 Wie sieht das Magnetfeld eines permanent magnetisierten Blocks aus (innen und außen)? 3.15 Erläutern Sie die prinzipiellen Effekte in magnetisierbaren Materialien (Dia-, Para-, Ferromagnetismus) 3.16 Diskutieren Sie die Hystereseschleife. 3.17 Welche Bedingungen gelten für magnetische Felder an Grenzflächen zwischen magnetisierbaren Materialien? (Herleitung) 3.18 Wie können die Felder in einem einfachen Magnetkreis mithilfe von Maxwell I (Durchflutungssatz) und Maxwell IV (div B=0) ermittelt werden? Welche vereinfachenden Annahmen werden dabei gemacht? 3.19 Wie ist der magnetische Widerstand definiert? 3.20 Wie sieht die Analogie Magnetkreis-Stromkreis aus? 3.21 Wie kann der Fluss durch einen Permanentmagnet im Magnetkreis berechnet werden? Warum sinkt der Fluss wenn der Magnetkreis zerlegt und wieder zusammengebaut wird? 3.22 Welcher Term der Maxwell Gleichungen sorgt für Ruheinduktion? 3.23 Was ist Ruheinduktion (m. Herleitung)? 3.24 Was ist Bewegungsinduktion? Wie kann man sie mit der Lorentz-Kraft veranschaulichen? 3.25 Wie können die in einer Drahtschleife induzierte Spannungen durch Ruhe- und Bewegungsinduktion einheitlich beschrieben werden? Welche Bedeutung hat der darin vorkommende totale Differenzialquotient (im Gegensatz zum partiellen Differenzialquotienten bei der Ruheinduktion)? 3.26 Wie ist die Induktivität definiert? (Gemeint ist hier der Zusammenhang zwischen verkettetem Fluß und erzeugendem Strom!) 3.27 Was ist Selbstinduktion? Welche Strom-Spannungsbeziehung ergibt sich daraus für eine Spule? 3.28 Warum bzw. wann gilt die Maschenregel auch bei Anwesenheit von Induktionsvorgängen? 3.29 Wie ist die Gegeninduktivität definiert? Wie kann die Verkopplung der Spulen durch Teilflüsse Φij beschrieben werden? Welche Symmetrie herrscht zwischen Gegeninduktivitätskoeffizienten Lij? 3.30 Wie lautet die Beziehung zwischen Strömen und Spannungen an gekoppelten Induktivitäten? Welches Ersatzschaltbild lässt sich daraus konstruieren? 3.31 Was ist ein Transformator und wie funktioniert er? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_ETII_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 25.06.2008 15:25:00 B. Jakoby 3.32 Was ist ein idealer Übertrager und wie kann er zu einem Ersatzschaltbild für einen realen Transformator ergänzt werden? Was ist der Unterschied zu dem früher erwähnten Ersatzschaltbild (mit Gegeninduktivität M)? 3.33 Wie lautet der Ausdruck für die Energiedichte im Magnetfeld? 3.34 Was ist die in einer stromdurchflossenen Induktivität gespeicherte Energie? 3.35 Wie funktioniert eine elektrische Gleichstrommaschine im Prinzip? Durch welche Gleichungen kann sie beschrieben werden und woher kommen diese Gleichungen (im Prinzip)? 3.36 Was unterscheidet Generator- und Motorbetrieb? 3.37 Welche Rolle spielt die induzierte Spannung im Motorbetrieb und welche das Moment im Generatorbetrieb? 3.38 Wie kann die Kraft auf einen magnetisierten Körper im Prinzip ermittelt werden? Was ist der Maxwell’sche Spannungstensor? 3.39 Was ist das Prinzip der virtuellen Verschiebung? 3.40 Wie funktioniert ein Hubmagnet? 4 Schaltvorgänge, Einschwingvorgänge 4.1 Wie lauten die Strom-Spannungsbeziehungen für R,L,M und C? 4.2 Wie kann die das Netzwerk beschreibende Differenzialgleichung (DG) ermittelt werden und um was für einen Typus von DG handelt es sich? 4.3 Wenn Sie die Differenzialgleichung für eine Größe aufstellen, welche Ordnung erwarten Sie? 4.4 Wie kann man die allgemeine Lösung einer gewöhnlichen Differenzialgleichung mit konstanten Koeffizienten konstruieren? Warum? 4.5 Wie bestimmen Sie die in der allgemeinen Lösung vorkommenden Konstanten? 4.6 Welche Sprungbedingungen gelten für L und C und warum? 4.7 Wie viele Anfangsbedingungen benötigen Sie für eine DG nter Ordnung? Welche Werte benötigen Sie aus mathematischer Sicht? Wie können Sie diese Werte aus den Sprungbedingungen für L und C gewinnen? 4.8 Wie kann die partikuläre Lösung gewonnen werden? Welche Ansätze sind wann sinnvoll? 4.9 Wie sehen die Lösungen der homogenen Gleichung für eine DG zweiter Ordnung aus? Welche Fälle gibt es? 4.10 Diskutieren Sie die mögliche Lösung eines Systems von DG erster Ordnung (im Prinzip, d.h. z.B. numerisch durch schrittweises Voranschreiten). Was ist der Zustandsvektor? Welche Anfangsbedingungen werden benötigt? 4.11 Diskutieren Sie das strömungsmechanische Analogon. 4.12 Was passiert beim Abschalten einer induktiven Last und warum? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_ETII_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 25.06.2008 15:25:00 B. Jakoby 5 Elektrodynamik 5.1 Wie lauten die kompletten Maxwell Gleichungen und was bedeuten (bewirken) die einzelnen Terme? 5.2 Ist die Kontinuitätsgleichung für den Strom in den Maxwell-Gleichungen enthalten und wenn ja wie? 5.3 Beschreiben Sie anhand eines Beispiels warum das Weglassen des Verschiebungsstromes zu Widersprüchen führt. 5.4 Unter welchen Bedingungen können aus den Maxwell Gleichungen Wellengleichungen hergeleitet werden? 5.5 Was sind mögliche Lösungen der Wellengleichung? 5.6 Was ist eine ebene Welle? Welche Orientierung haben die Feldvektoren? 5.7 Was ist die Bedeutung der Wellenzahl und des Wellenvektors k? 5.8 Was ist Polarisation? 5.9 Was sind zirkular polarisierte Wellen? 5.10 Was ist der Feldwellenwiderstand? 5.11 Was sind Gruppen- und Phasengeschwindigkeit? Was ist Dispersion? 5.12 Wie kann man im Prinzip die Felder aufgrund einer Strom- und Ladungsverteilung ermitteln? Welche Form haben die Lösungen der resultierenden Gleichungen für die Potenziale? 5.13 Was sind retardierte Potenziale? 5.14 Was ist ein Hertzscher Dipol? 5.15 Was besagt der Energiesatz der Elektrodynamik? Welche Bedeutung hat der Poynting Vektor? Diskutieren Sie dies anhand eines Beispiels. 5.16 Was sind TEM Wellen? 5.17 Mit welchem einfachen Ersatzbild können die Telegrafengleichungen zur Beschreibung von TEM Wellen auf Zweidrahtleitungen ermittelt werden und wie funktioniert das im Prinzip? 5.18 Welche fundamentalen Lösungen haben die Telegrafengleichungen? 5.19 Was ist der Wellenwiderstand? 5.20 Was beschreibt der Reflexionsfaktor? 5.21 Was passiert wenn man eine Gleichspannung an eine Leitung schaltet? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_ETII_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 25.06.2008 15:25:00 B. Jakoby
