Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung GET 2 Dr. Oliver Haas 18. April 2016 Inhaltsverzeichnis 1 Formelzeichen und Einheiten 3 2 Zehnerpotenzen und Vorsatzzeichen 3 3 Magnetisches Feld 3.1 Permeabilität . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Kraft auf Strom durchflossene Leiter . 3.3 Lorentz-Kraft . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Das Gesetz von Biot-Savart . . . . . . 3.5 Magnetische Flussdichte . . . . . . . . 3.6 Magnetische Feldstärke, Durchflutung 3.7 Magnetischer Fluss . . . . . . . . . . . 3.8 Magnetischer Kreis . . . . . . . . . . . 3.9 Induktivität . . . . . . . . . . . . . . 3.10 Magnetische Energie . . . . . . . . . . 3.11 Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 4 4 5 5 6 6 6 7 7 . . . . . . . . . . 7 7 8 8 9 9 9 10 10 10 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Wechselstromrechnung 4.1 Zeitabhängige Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Methode der komplexen Amplituden . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Kirchhoffsche Gesetze für komplexe Ströme und Spannungen . 4.4 Ohmsches Gesetz im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . 4.5 Reihen- und Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Impedanz, Admittanz von Widerstand, Kondensator und Spule 4.7 Resonanzfrequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Grenzfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Leistungen im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Ortskurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 5 Mathematische Ergänzungen 5.1 Rechenregeln für komplexe Rechnungen 5.2 Sinus- und Cosinus-Funktionen . . . . . 5.3 Alternative Winkel-Berechnung . . . . . 5.4 Kreuzprodukt . . . . . . . . . . . . . . 18. April 2016 . . . . . . . . Seite 2 von 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 12 12 13 14 Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 1 Formelzeichen und Einheiten Größe Formelzeichen Basis-Größen l m t I, i T Länge Masse Zeit Stromstärke Temperatur Kraft Leistung Arbeit, Energie el. Ladung el. Spannung el. Widerstand el. Leitwert Kapazität Magn. Fluss Magn. Flussdichte Induktivität 2 F P W Q U, u R G C Φ B L Einheitenname des SI-Systems Meter Kilogramm Sekunde Ampere Kelvin Abgeleitete Größen Newton Watt Joule Coulomb Volt Ohm Siemens Farad Weber Tesla Henry Einheitenkürzel m kg s A K N bzw. VAs m−1 W bzw. VA J bzw. Ws C bzw. As V Ω bzw. V A−1 S bzw. A V−1 F bzw. As V−1 Wb bzw. Vs T bzw. Vs m−2 H bzw. Vs A−1 Zehnerpotenzen und Vorsatzzeichen Zehnerpotenz 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 18. April 2016 Name Yotta Zetta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hekto Deka Vorsatzzeichen Y Z E P T G M k h da Zehnerpotenz 10−1 10−2 10−3 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18 10−21 10−24 Seite 3 von 14 Name Dezi Centi Milli Mikro Nano Piko Femto Atto Zepto Yocto Vorsatzzeichen d c m µ n p f a z y Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 3 Magnetisches Feld 3.1 Permeabilität µ0 = 4π · 10−7 µ = µ0 · µr , Vs Am (1) µ0 : magnetische Feldkonstante, µr : relative Permeabilität. 3.2 Kraft auf Strom durchflossene Leiter Für die Kraft zwischen zwei mit Strom durchflossenen Leitern gilt F = µ I1 I2 l , 2π% vektoriell über magnetische Flussdichte ~ k) F~j,k = Ij ~l × B(I (2) F~j,k : Kraftwirkung auf Leiter j, die vom Magnetfeld des Leiters k ausgeübt wird. Vorzeichen der vektoriellen Länge ~l hängt von der Stromrichtung in Leiter j ab und die ~ wird durch die Stromrichtung in Leiter k vorgegeben. Richtung von B 3.3 Lorentz-Kraft Für die Kraft auf eine Ladung Q, die sich mit der Geschwindigkeit ~v durch ein Magnetfeld bewegt, gilt ~ . F~m = Q (~v × B) 3.4 (3) Das Gesetz von Biot-Savart Die Grundgleichung des Gesetzes von Biot-Savart lautet: magnetische Feldstärke magnetische Flussdichte Z d~s × ~r 0 ~ = I H 4π L r2 Z d~s × ~r 0 ~ = µI B 4π L r2 (4) Z d~s × ~r ~ = I H 4π L r3 Z d~s × ~r ~ = µI B 4π L r3 (5) ~ −R ~ 0 , mit wobei der Abstandsvektor ~r definiert wird durch ~r = R ~ R: Ortsvektor, der auf den Aufpunkt zeigt (Am Aufpunkt wird H bzw. B ermittelt) 0 ~ R : Ortsvektor des Quellpunktes (Position des Linienelements während der Integration) d~s: vektorielles Linienelement in Richtung des Stromes I 18. April 2016 Seite 4 von 14 Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 3.5 Magnetische Flussdichte Feldbeschreibung der magnetischen Flussdichte in Zylinder-Koordinaten(%, ϕ, z) Magnetfeld bildet konzentrischen Kreis um den Leiter mit Radius %. Die magnetische Fluss~ zeigt je nach Stromrichtung in bzw. gegen die Richtung des Einheitsvektors ~eϕ dichte B ~ = ±Bϕ ~eϕ = ± µI ~eϕ . B 2π% (6) Feldbeschreibung der magnetischen Flussdichte in kartesischen Koordinaten µI −(y − y0 )~ex + (x − x0 )~ey ~ B(x, y) = ± 2π (x − x0 )2 + (y − y0 )2 (7) (x0 ; y0 ): Leitermittelpunkt, (x; y): Ort an dem das Feld berechnet wird. J N Wahl des Vorzeichens erfolgt abhängig von der Stromrichtung: :+ :− Überlagerung magnetischer Felder durch vektorielle Addition ~ ges = B ~1 + B ~ 2 + ... + B ~n . B 3.6 (8) Magnetische Feldstärke, Durchflutung Materialgleichung ~ = µH ~ , B (9) Magnetische Feldstärke eines geraden, zylinderförmigen, mit Strom durchflossenen Leiters (idealisiert) außerhalb: Ha (%) = %: Radius der Feldlinie, I 2π% innerhalb: Hi (%) = r: Radius des Leiterquerschnitts, I% 2πr2 (10) I: Stromstärke. Durchflutungssatz I L ~ · d~s = H Z ~=Θ . J~ · dA (11) A Elektrische Durchflutung N Windungen: Θ = N I allg. für N Leiter: Θ = N X Ik . (12) k=1 18. April 2016 Seite 5 von 14 Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 3.7 Magnetischer Fluss Φ= Z ~ · dA ~ , B Quellenfreiheit: I A ~ · dA ~ = 0, B (13) A ~ magnetische Flussdichte, dA: ~ Vektorielles Flächenelement. Φ: magn. Fluss, B: 3.8 Magnetischer Kreis Unter der Voraussetzung, dass das magn. Feld abschnittsweise konstant und homogen ist, gelten die folgenden Beziehungen Magn. Fluss el. Durchflutung Φ = BA, X Θ= magn. Spannung Vm = H lm Hk lm,k (14) k Magn. Widerstand lm , Rm = µA lm : Feldlinienlänge, magn. Leitwert µA Λ= lm µ: Permeabilität, Λ= 1 Rm (15) A: Fläche. Ohmsches Gesetz des magnetischen Kreises (Hopkinsches Gesetz) Vm = Φ Rm , Vm : Magn. Spannung, Rm1 F 1 N1I1 F2 F3 Rm3 Φ = Vm Λ . Φ: magn. Fluss, Rm : magn. Widerstand. Rm2 R1 U01 N2I2 ESB eines magn. Kreises mit Verzweigung 3.9 (16) I1 I2 I3 R3 R2 U02 Äquivalentes elektrisches Netzwerk Induktivität Für zwei Wicklungen i und j gilt Allgemein Eigeninduktivität Gegeninduktivität Ni Φi,j = ±Li,j Ij i = j: Li,i = Li , i 6= j: Li,j = Lj,i = M. (17) Φi,j : Anteil von j in i (18) Magn. Fluss durch Wicklung i, i 6= j Φi = Φi,i ± Φi,j Φi,i : eigener Anteil von i N : Windungszahl, Φ: magn. Fluss, I: Stromstärke, +: positive Kopplung, −: negative Kopplung. 18. April 2016 Seite 6 von 14 Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 3.10 Magnetische Energie Allgemein wird die magnetische Energie berechnet über wm = Z Be ~ · dB ~ H 0 und Wm = Z V 0 wm dV . (19) wobei wm die magnetische Energiedichte und Wm die magnetische Energie ist. Für den Fall eines homogenen Feldes im betrachteten Volumen V und µ = konst. gilt auch wm = 1 2 B , 2µ e wm = µ 2 H , 2 e wm = 1 He Be , 2 Wm = V w m . (20) Energie für eine einfache Spule mit konstanter Eigeninduktivität L Wm = 1 L I2 , 2 Wm = 1 NΦ I . 2 (21) N : Windungszahl, Φ: magn. Fluss, I: Stromstärke. 3.11 Induktionsgesetz Lenzsche Regel: Die Induktionswirkung ist ihrer Ursache entgegengerichtet. u(t) = −N u: induzierte el. Spannung, 4 4.1 N : Windungszahl, dΦ . dt (22) Φ: magn. Fluss . Wechselstromrechnung Zeitabhängige Funktionen Periodische Funktionen sind allgemein definiert durch f (t) = f (t + k T ) , mit der Periodendauer T und k ∈ Z . (23) Definition der Kreisfrequenz ω bei sinusförmigen Funktionen ω= 2π , T ω = 2πf , f= 1 . T (24) Beispiel: allgemeine Beschreibung einer Sinusfunktion mit Amplitude â, Kreisfrequenz ω und Nullphasenwinkel ϕ0 a(t) = â sin(ωt + ϕ0 ) . 18. April 2016 Seite 7 von 14 (25) Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II Mittelwertbildung bei periodischen Funktionen Integration über die Zeit t: Arithmetischer Mittelwert Gleichrichtwert Effektivwert 1ZT f= f (t) dt T t=0 1ZT |f | = |f (t)| dt T t=0 s F = 1ZT 2 f (t) dt T t=0 (26) 1 Z 2π 2 f (ωt)dωt 2π ωt=0 (27) Integration über den Winkel ωt (Substitution t 7→ ωt) 1 Z 2π f= f (ωt)dωt 2π ωt=0 4.2 s 1 Z 2π |f | = |f (ωt)| dωt 2π ωt=0 F = Methode der komplexen Amplituden Methode zur Transformation sinusförmiger Funktionen in den komplexen Frequenzbereich. 1. Transformation vom reellen Zeitbereich in den komplexen Zeitbereich durch die Abbildungsvorschrift a(t) = â cos(ωt + ϕa ) 7→ a(t) = â e j(ωt+ϕa ) , 2. Transformation vom komplexen Zeitbereich in den komplexen, zeitunabhängigen Frequenzbereich durch Multiplikation mit e − j ωt a(t) = â e j(ωt+ϕa ) 7→ â = â e j(ϕa ) , 3. Berechnung des Netzwerks mit komplexen Größen unter Verwendung der komplexen Amplituden, 4. Rücktransformation vom komplexen, zeitunabhängigen Frequenzbereich in den komplexen Zeitbereich durch Multiplikation mit e j ωt b̂ = b̂ e j(ωt+ϕb ) 7→ b̂(t) = b̂ e j(ϕb ) , 5. Rücktransformation vom komplexen, zeitabhängigen Frequenzbereich in den reellen Zeitbereich durch die Abbildungsvorschrift b(t) = b̂ e j(ωt+ϕb ) 7→ b(t) = <{b(t)} = b̂ cos(ωt + ϕb ) . Alternativ werden bei der Berechnung in Schritt √ 3 statt der komplexen Amplituden auch die komplexen Effektivwerte verwendet: A = â/ 2. 4.3 Kirchhoffsche Gesetze für komplexe Ströme und Spannungen Die Summe aller Ströme in einem einzelnen Knoten ist 0: n X ı̂k = 0 , k=1 18. April 2016 bzw. n X k=1 Ik = 0 . (28) Die Summe aller Spannungen entlang eines geschlossenen Umlaufs ist 0: n X k=1 Seite 8 von 14 ûk = 0 , bzw. n X Uk = 0 . (29) k=1 Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 4.4 Ohmsches Gesetz im Wechselstromkreis Analog zum Gleichstromkreis gilt Z= u û û · e jϕU û = = = · e j(ϕU −ϕI ) jϕ i ı̂ ı̂ · e I ı̂ ⇒ ϕZ = ϕU − ϕI (30) mit der komplexen Impedanz Z und ihrem Kehrwert, der komplexen Admittanz Y . Gleiches gilt für die komplexen Effektivwerte Z= 4.5 U U · e jϕU U = = · e j(ϕU −ϕI ) . jϕ I I I ·e I (31) Reihen- und Parallelschaltung Reihenschaltung komplexer Impedanzen und Admittanzen Z= X Zk , k X 1 1 . = Y Y k k (32) Parallelschaltung komplexer Impedanzen und Admittanzen Y = X Yk, k 4.6 X 1 1 = . Z k Zk (33) Impedanz, Admittanz von Widerstand, Kondensator und Spule Ohmscher Widerstand Kondensator, Kapazität 1 iC , j ωC d uC dt Spule, Induktivität uR = R · iR uC = Z R = RR + j XR = R Z C = R C + j XC = RR = R RC = 0 XR = 0 XC = − Y R = GR + j BR = G Y C = GC + j BC = j ωC Y L = GL + j BL = GR = G GC = 0 GL = 0 BR = 0 BC = ωC BL = − R= 1 G 18. April 2016 XC = − iC = C 1 j ωC uL = j ωL iL , uL = L d iL dt Z L = RL + j XL = j ωL RL = 0 1 ωC 1 BC Seite 9 von 14 XL = ωL 1 j ωL 1 ωL 1 XL = − BL Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 4.7 Resonanzfrequenzen 4.7.1 Phasenresonanz Bei Phasenresonanz verschwindet der Imaginärteil einer komplexen Funktion (hier am Beispiel der Impedanz Z), d. h. es gilt ={Z(ω0 )} = 0 sowie ϕZ (ω0 ) = 0 . 4.7.2 (34) Betragsresonanz Bei der Betrags- oder Amplitudenresonanz nimmt der Betrag einer komplexen Funktion (hier am Beispiel der Impedanz Z) einen Extremwert (Minimum oder Maximum) an, d. h. es gilt dZ(ω) = 0. dω ω=ω0 4.8 (35) Grenzfrequenz Die Grenzfrequenz fg oder Grenzkreisfrequenz ωg tritt auf, wenn für die Beträge einer komplexen Funktion gilt 1 Funktionswert bei ωg =√ Maximum der Fkt. 2 √ Funktionswert bei ωg = 2 . Minimum der Fkt. bzw. (36) Ist der Extremwert rein reell oder rein imaginär gilt außerdem (Bsp.: beim Reihenresonanzkreis ist Zmin = R) <{Z(ωg )} = |={Z(ωg )}| , 4.9 π ϕ(ωg ) = arctan(±1) = ± . 4 (37) Leistungen im Wechselstromkreis Kompl. Scheinleistung: S = U I∗ = P + j Q S = I2 Z , Wirkleistung: Blindleistung: P = U I cos(ϕ) Q = U I sin(ϕ) P = <{S} = S cos(ϕ) Q = ={S} = S sin(ϕ) Einheiten: [S] = VA , [P ] = W , Wichtig: Die Leistung der Quellen ist negativ: 4.10 S = U2 Y ∗ (38) (39) (40) [Q] = VAr . S q = −U 0 I ∗0 . Ortskurven Ortskurve = Darstellung der Abhängigkeit einer Funktion von einem Parameter in der komplexen Ebene. Die Ortskurve wird beschrieben durch einen komplexen Zeiger, der vom Ursprung auf einen Punkt in der komplexen Ebene zeigt. Durch Variation der abhängigen Größe beschreibt dieser Zeiger eine Kurve in der komplexen Ebene. 18. April 2016 Seite 10 von 14 Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II Beispiele (a) Die Impedanz eines Reihenschwingkreises abhängig von der Kreisfrequenz ω: Z(ω) = R + j ωL − 1 ωC 0 ≤ ω < ∞. , (b) Die Impedanz eines Reihenschwingkreises abhängig von der Induktivität L: 1 Z(L) = R + j ω1 L − ω1 C w®¥ j Im Z (w) j 0 0 ≤ L ≤ L0 . , j Im Z L=L0 Z (L) R L j w=w0 R 0 Re Z Re L=0 w w=0 Ortskurve zu Beispiel a Ortskurve zu Beispiel b Ortskurven-Inversion Regeln für die Inversion am Beispiel der Impedanz Z und der Admittanz Y : Z= 1 1 = · e − j ϕY Y Y ⇒ 1 , Y Z= ϕZ = −ϕY . (41) Hieraus folgt für die Extremwerte max(Z) 7→ min(Y ) und analog min(Z) 7→ max(Y ) . (42) Die Inversion ist winkeltreu, nur das Vorzeichen ändert sich! Hieraus lassen sich die folgenden Regeln ableiten • Geraden, die nicht durch den Ursprung gehen, werden zu Kreisen, die durch den Ursprung gehen; • Geraden, die durch den Ursprung gehen, bleiben Geraden; • Kreise, die durch den Ursprung gehen, werden zu Geraden; • Kreise, die nicht durch den Ursprung gehen, bleiben Kreise. 18. April 2016 Seite 11 von 14 Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 5 5.1 Mathematische Ergänzungen Rechenregeln für komplexe Rechnungen Definition: es sei Z eine beliebige komplexe Zahl und Z ∗ ihre Konjugiertkomplexe mit und Z ∗ = R − j X = Z · e − j ϕZ Z = R + j X = Z · e j ϕZ (43) dann gilt Z + Z ∗ = 2<{Z} = 2R , Z − Z ∗ = j 2={Z} = j 2X , Z · Z∗ = Z2 . Für den Betrag und den Phasenwinkel gilt √ ={Z} X |Z| = Z = R2 + X 2 , ϕZ = arctan = arctan . <{Z} R (44) (45) Multiplikation und Division zweier komplexer Zahlen Z 1 und Z 2 Z 1 Z 2 = Z1 Z2 · e j(ϕ1 +ϕ2 ) q (R12 + X12 )(R22 + X22 ) · e j(ϕ1 +ϕ2 ) , = = (R1 + j X1 )(R2 + j X2 ) = R1 R2 − X1 X2 + j(R1 X2 + R2 X1 ) , (46) (47) q R12 + X12 j(ϕ1 −ϕ2 ) Z1 j(ϕ1 −ϕ2 ) Z1 = ·e =q ·e , Z2 Z2 R22 + X22 = 5.2 (48) R1 R2 + X1 X2 + j(R2 X1 − R1 X2 ) (R1 + j X1 ) = . (R2 + j X2 ) R22 + X22 (49) Sinus- und Cosinus-Funktionen Wichtige Funktionswerte α α (rad) sin α cos α 0◦ 0 0 1 30◦ 1 2 √ 1 2 2 √ 1 3 2 √ 1 ( 2 4 1 3 2 √ 1 2 2 1 2 √ 1 (− 2 4 1 0 150◦ π 6 π 4 π 3 5π 12 π 2 7π 12 2π 3 3π 4 5π 6 1 2 1 ( 2− 4 − 12 √ − 12 2 √ − 12 3 180◦ π 0 −1 270◦ 3π 2 −1 0 45◦ 60◦ 75◦ 90◦ 105◦ 120◦ 135◦ 18. April 2016 + √ 6) √ √ 1 ( 2 + 6) 4 √ 1 3 2 √ 1 2 2 Seite 12 von 14 √ √ + √ √ 6) 6) Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II Symmetrien sin(−x) = − sin x = sin(x + π) cos(−x) = cos x (50) (51) Gegenseitiger Zusammenhang π sin(x) = cos −x 2 sin2 x + cos2 x = 1 , sin2 x = π cos(x) = sin +x . 2 und 1 1 − cos 2x , 2 cos2 x = (52) 1 1 + cos 2x . 2 √ + 1 − cos2 x für 0 < x < π √ − 1 − cos2 x für π < x < 2π √ + 1 − sin2 x für 0 < x < π ∩ 2 cos x = √ − 1 − sin2 x für π < x < 3π 2 2 sin x = (53) 3π 2 < x < 2π (54) Ableitungen sin0 x = cos x cos0 x = − sin x (55) (56) sin(x ± y) = sin(x) cos(y) ± cos(x) sin(y) (57) cos(x ± y) = cos(x) cos(y) ∓ sin(x) sin(y) (58) x±y x∓y · cos 2 2 x+y x−y = 2 cos · cos 2 2 x+y x−y = −2 sin · sin 2 2 i 1h = cos(x − y) − cos(x + y) 2 i 1h = cos(x − y) + cos(x + y) 2 i 1h = sin(x − y) + sin(x + y) 2 sin x ± sin y = 2 sin cos x + cos y cos x − cos y sin x · sin y cos x · cos y sin x · cos y 5.3 (59) (60) (61) (62) (63) (64) Alternative Winkel-Berechnung Z = |Z| · e 18. April 2016 jϕ ={Z} ϕ = 2 arctan , <{Z} + |Z| , Seite 13 von 14 −π < ϕ < π (65) Dr.-Ing. Oliver Haas Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz Formelsammlung Grundlagen der Elektrotechnik II 5.4 Kreuzprodukt Die formale Berechnung des Kreuzproduktes erfolgt über eine Determinante (Beispiel für kartesische Koordinaten) ~v1 × ~v2 = ~ ex e ~ y ~ ez x1 x2 y1 y2 = ~ex (y1 z2 − z1 y2 ) − ~ey (x1 z2 − z1 x2 ) + ~ez (x1 y2 − y1 x2 ) z1 z2 = (y1 z2 − z1 y2 )~ex + (z1 x2 − x1 z2 )~ey + (x1 y2 − y1 x2 )~ez . (66) Fläche zwischen den beiden Vektoren, Richtung der zugehörigen Flächennormalen |~v1 × ~v2 | = A , ~n = ~v1 × ~v2 . A (67) Rechtsschrauben-Regel Drehung nach rechts: Schraube bewegt sich nach unten, Drehung nach links: Schraube bewegt sich nach oben. v1 v2 An v2 An v1 A n = v1 ´ v2 v1 ´ v2 Wichtige Rechenregeln ~v × ~0 = ~0 ~v × ~v = ~0 (68) (69) (70) (71) ~v1 × ~v2 = −~v2 × ~v1 ~v1 × (~v2 + ~v3 ) = (~v1 × ~v2 ) + (~v1 × ~v3 ) Anwendung: Koordinatensysteme Definition der rechtshändigen Koordinatensysteme über das Kreuzprodukt der Einheitsvektoren ez Kreuzprodukte in Pfeilrichtung: + kartesisch: x, y, z ⇒ ~ex , ~ey , ~ez ey ex Bsp.: ~ez × ~ex = ~ey ~ex × ~ey = ~ez (72) ez Zylinder: %, ϕ, z ⇒ ~e% , ~eϕ , ~ez ~e% × ~eϕ = ~ez (73) er ej Bsp.: ~eϕ × ~ez = ~e% eJ Bsp.: ~eϑ × ~eϕ = ~er ej Kugel: r, ϑ, ϕ ⇒ ~er , ~eϑ , ~eϕ ~er × ~eϑ = ~eϕ 18. April 2016 (74) Seite 14 von 14 er Dr.-Ing. Oliver Haas