4. Elektrische und magnetische Felder 4. Elektrisches Feld 4
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4. Elektrisches Feld 4.1 Elektrisches Strömungsfeld 4. Elektrische und magnetische Felder Feldbegriff ! Themen: Feld – räumliche Verteilung einer physikalischen Größe • Skalarfeld (Gravitationspotential, elektrostatisches Potential) • Vektorfeld (Gravitationsfeld, elektrisches Feld) ! • Einführung ! • Elektrisches Strömungsfeld, elektrische Spannung und Widerstand ! • Elektrostatisches Feld, elektrische Kapazität ! • Magnetisches Feld, Induktivität ! • Kräfte in magnetischen Feldern ! Strömungsfeld in einer Wasserleitung ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) Gravitationsfeld der Erde ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 162 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.1 Elektrisches Strömungsfeld 4.1 Elektrisches Strömungsfeld 163 Begriff vom elektrischen Strömungsfeld ! Ursache: Bewegung von elektrischen Ladungsträgern aufgrund einer Potentialdifferenz. • Vektorfeld (gesamte Gleichstromtechnik) ! ! k – Leitfähigkeit S – Stromdichte U – Potentialdifferenz A – Querschnittsfläche l – Leiterlänge I – Strom n – Vektor der Normale zur Fläche A ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 164 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 165 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.1 Elektrisches Strömungsfeld 4.1 Elektrisches Strömungsfeld A(r) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) r ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 166 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.1 Elektrisches Strömungsfeld 4.1 Elektrisches Strömungsfeld Äquipotentiallinien und elektrische Spannung U ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 168 167 Homogenes Strömungsfeld ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 169 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.2 Elektrostatisches Feld 4.2 Elektrostatisches Feld Feldbegriff Verschiebungsfluß und Verschiebungsflußdichte Elektrisches Feld – entsteht an elektrisch geladenen Körper, Ladungsausgleich nicht möglich -> statisches Feld • Beispiel – Plattenkondensator, angeschlossen an Spannung U Definition • Beispiel – Zwei Metallplatten in einem Plattenkondensator, die auseinander gezogen werden Feldfreier Raum ! ! Q – Verschiebungsfluß, Ladung A – Fläche einer Platte D – Verschiebungsflußdichte Q – Ladung, A – Fläche einer Platte, σ – Flächenladungsverteilung. Elektrisches Feld in einem Plattenkondensator Elektrisches Feld in einem Plattenkondensator ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 170 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.2 Elektrostatisches Feld 4.2 Elektrostatisches Feld Gilt für geschlossene Hüllfläche ohne Ladungen im Inneren ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 171 Verschiebungsfluß und Verschiebungsflußdichte Arbeit im elektrostatischen Feld Elektrostatisches Feld und elektrisches Strömungsfeld - Analogie Berechnung der Arbeit bei der Bewegung einer Ladung im elektrischen Feld vom Punkt a zum Punkt b ! D – Verschiebungs- flußdichte, E – Feldstärke ε – Materialkonstante ! ε 0 – elektrische Feldkonstante von Vakuum, ε r – Dielektrizitätszahl des Stoffes Elektrisches Feld in einer elektrisch leitenden Hülle W – Arbeit, F – Kraft, s – Weg, E – Feldstärke, q – Ladung. Ladung im elektrischen Feld – Berechnung der Arbeit ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 172 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 173 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.2 Elektrostatisches Feld 4.2 Elektrostatisches Feld Feld einer geladenen Kugel Feld eines Zylinders Berechnung der Feldstärke unter Annahme der gleichmäßigen Ladungsverteilung im Kugelinneren. Berechnung der Feldstärke unter Annahme der gleichmäßigen Ladungsverteilung im Zylinder. ! ! Feldstärke außerhalb… Feldstärke außerhalb… …und innerhalb der Kugel …und innerhalb des Zylinders Feldbild einer geladenen Kugel Feldbild eines geladenen Zylinders ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 174 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.2 Elektrostatisches Feld 4.3 Die elektrische Kapazität Potential im elektrischen Feld Definition Berechnung des Potentials unter Annahme der gleichmäßigen Ladungsverteilung im Zylinder. Kapazität C einer Anordnung ist das Verhältnis vom Verschiebungsfluß (Ladung) zur Spannung zwischen den Elektroden. ! 175 ! Für Plattenkondensator gilt: Plattenkondensator Feldbild mit Äquipotentiallinien eines geladenen Zylinders ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 176 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 177 4. Elektrisches Feld 4. Elektrisches Feld 4.3 Die elektrische Kapazität 4.3 Die elektrische Kapazität Kapazität einer Zylinderanordnung Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren ! ! Kapazität C einer Anordnung ist das Verhältnis vom Verschiebungsfluß (Ladung) zur Spannung zwischen den Elektroden. Für Zylinderkondensator gilt: Zylinderkondensator Parallelschaltung der Kondensatoren ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 178 4. Magnetisches Feld Reihenschaltung der Kondensatoren 179 4. Magnetisches Feld 4.4 Begriff des magnetischen Feldes 4.4 Begriff des magnetischen Feldes Magnetfeld ist ein Vektorfeld: • In jedem Punkt im Raum besitzt es ein Betrag (Wert) und eine Richtung (Vektor). • Ursache: Dauermagnete und stromdurchflossene Leiter (Elektronenbewegung) • Magnetische Feldlinien haben kein Anfang und kein Ende – es gibt keine „Quellenteilchen“ für das Feld ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) • Ein Magnet besitzt einen Nordpol und Südpol. ! • Außerhalb des Magneten verlaufen die Feldlinien vom Nordpol zum Südpol (positive Feldrichtung). ! • Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. 180 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 181 4. Magnetisches Feld 4. Magnetisches Feld 4.5 Richtungsdefinition der magnetischen Feldlinien 4.6 Durchflutungssatz • Stromstärke und Magnetfeld bilden ein Rechtssystem. ! ! ! ! ! Rechte-Hand-Regel: Θ: • Zeigt der Daumen der rechten Hand in die Stromrichtung, dann weisen die gekrümmten Finger in Feldrichtung. ! ! ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) H: ! Durchflutung (magnetische Spannung), [Θ] = 1 Ampere × Windungszahl (AW-Zahl) magnetische Feldstärke, [H] = 1A/m verknüpft H mit i ohne u ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 182 4. Magnetisches Feld 183 4. Magnetisches Feld 4.6 Durchflutungssatz 4.7 Magnetischer Fluss, Flussdichte, Induktion ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 184 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 185 4. Magnetisches Feld 4. Magnetisches Feld 4.8 Magnetisierungskennlinie (Hysterese) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 4.9 Elektrische und magnetische Analogien ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 186 4. Magnetisches Feld 187 4. Magnetisches Feld 4.9 Elektrische und magnetische Analogien 4.10 Induktionsgesetz N: Windungszahl Φ: Fluss durch eine Windung (Leiterschleife) ! ! Ψ: ! Gesamtfluss (verketteter Fluss) verknüpft Φ mit u ohne i ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 188 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 189 4. Magnetisches Feld 4. Magnetisches Feld 4.11 Induktivität 4.12 Kräfte auf stromführende Leiter Selbstinduzierte Spannung: • Daumen → Stromrichtung, • Zeigefinger → Feldrichtung, • Mittelfinger → Kraftrichtung. ! ! ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 190 191 4. Magnetisches Feld 4.12 Kräfte auf stromführende Leiter 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik Themen: ! • Einführung ! • Halbleiterwerkstoffe ! • Dioden, Transistoren, Thyristoren ! • Operationsverstärker ! ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 192 ! ! ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 193 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5.1 Einführung 5.2 Eigenschaften von Halbleiterwerkstoffen Geschichte: Halbleiter: • 1873 - Entdeckung vom Photoeffekt // W. Smith (Elektrische Leitfähigkeit von Selen bei Licht) • Werkstoffe mit Eigenschaften von Dielektrika & Leiter ! ! ! ! • Dotierungen (Störstellen) in der Kristallstruktur ! • n-leitende Halbleiter • 1874 - Entdeckung vom Gleichrichtereffekt // K.-F. Braun ! • 1904 - die erste Vakuumdiode vom J. A. Fleming ! ! ! ! • Applikationen: Rundfunk, Radar, Fernsehen ! & p-leitende Halbleiter • 1948 - erster Transistor ! • Entwicklung von Analog- und Digitalelektronik ! Si-Monokristall • Integrierte Schaltungen ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 194 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5.2 Eigenschaften von Halbleiterwerkstoffen 5.3 Halbleiterdiode p-n Übergang: Bezeichnung: • leitend, „+“ an Anode, „-“ an Kathode • sperrt, „-“ an Anode, „+“ an Kathode ! • a) Grundzustand, ungeladen • b) leitend, „+“ an p-Halbleiter, „-“ an n-Halbleiter -> Sperrschicht kleiner • c) sperrt, „-“ an p-Halbleiter, „+“ an n-Halbleiter -> Sperrschicht größer s Sperrschicht 195 s Sperrschicht ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) s Sperrschicht 196 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 197 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5.3 Halbleiterdiode 5.3 Halbleiterdiode Kennlinie: Gleichrichterschaltungen: ! ! ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 198 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 199 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5.3 Halbleiterdiode 5.4 Transistor Weitere Applikationen: Verstärker elektrischer Signale: • Zener-Diode (Spannungsreferenz) • Bipolartransistor (pnp- und npn- Aufbau) (B - Basis, E - Emitter, C - Kollektor) ! ! ! • LED-Techik zur Lichterzeugung ! pnp -Transistor • Solar-Panels zur Energieerzeugung npn -Transistor ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 200 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 201 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5.4 Transistor 5.4 Transistor Verstärker elektrischer Signale: Anwendung: • FET (Feldeffekt-Transistor) (JFET, MOSFET, IGBT) • Zunehmend werden integrierte Bausteine eingesetzt (mehrere Transistoren) ! JFET -Transistor MOSFET -Transistor ! ! Aufbau eines MOSFET -Transistors • Analoge Schaltungstechnik (Verstärker, Signalgeneratoren) • Schnittstelle zur digitalen Technik (DA- und AD- Wandler) ! • Digitale Technik (Prozessoren, digitale Bausteine) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 202 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 203 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5.5 Thyristor 5.5 Thyristor Aufbau: Anwendungen: • Vier oder mehr abwechselnde Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Dotierung (p- oder n-) • Schaltbare Diode (Phasenanschnittsteuerung in Leistungsregelung) ! ! ! ! • Steuerung von Antrieben (Leistungselektronik) ! • Frequenzumrichter ! ! ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 204 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 205 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5. Grundlagen und Bauelemente der Elektronik 5.6 Operationsverstärker 5.7 Ausblick Anwendungen: Zukunftssparten: • Verstärker, Filter, Signalgeneratoren, Signalwandler usw. • Energie (Erzeugung und Übertragung), Mobilität, digitale Technik (Rechner und Consumer Electronics). ! ! ! ! ! ! ! ! Besten DANK und viel Erfolg! ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 206 ET/MB, Kovalev (THM StudiumPlus Wetzlar) 207
