Grundlagen der Elektrotechnik 1 (GET 1) - ate.uni

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Grundlagen der Elektrotechnik 1
(GET 1)
Daniel Erni
(BA 342, [email protected])
Norbert Koster
(BA 337, [email protected])
Thorsten Liebig
(BA 355, [email protected])
Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE)
Abteilung für Elektrotechnik und Informationstechnik
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Universität Duisburg-Essen
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Inhalt
1.
Grundlagen
2.
Das elektrische Feld
3.
Der elektrische Strom
4.
Das Magnetfeld
© P. Leuchtmann
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Einführung I
Vorlesungsunterlagen
• Lehrbuch:
für die Vorlesungen GET I
• Ergänzende Unterlagen zur Vorlesung:
Bildmaterial zum Buch
Ergänzende Manuskripte
Aufgabenstellungen
Alles via Moodle-Server:
http://moodle.uni-duisburg-essen.de/
• Alternative Lehrbücher:
Heinrich Frohne,
«Elektrische und magnetische Felder»
Teubner, 1994, 482 Seiten, leider vergriffen
Ingo Wolff
Verlagsbuchhandlung
Dr. Wolff, 2003
401 Seiten, 35.50
H, Frohne, K.-H. Löcherer, H. Müller
«Moeller Grundlagen der Elektrotechnik»
Teubner, 2005, 551 Seiten, 38.90
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Grundlagen der Elektrotechnik GET 1
1. Die Grundlagen
• Einführung
• Modell der Elektrizität
• Physikalische Grössen
• Die physikalischen Einheiten
• Grössengleichungen
• Die physikalischen Grundlagen
[Buch Seite 1-13]
• Die Elektrizität und ihre atomare Struktur
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Einführung I
Die Welt der Elektrotechnik
Die Elektroingenieurin
Der Elektroingenieur beschäftigt sich mit:
• Energie:
Elektrische Energieversorgung, Energiewandlung, Antriebe, Traktion, Werkstoffe,
Regulation,…
• Information:
Nachrichtenübertragung, Datenverarbeitung,
Fernerkundung, Logistik, Automatisierung,
Werkstoffe, Regulation, …
Gegenwärtig sehr vielfältig und stark
disziplinär orientiertes Fachgebiet.
Google Bildsuche
«Elektrotechnik»
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Einführung II
Die Welt der Elektrotechnik
Die Elektroingenieurin
Der Elektroingenieur betätigt sich
zunehmend/auch in Gebieten wie:
• Medizin:
Biomedizinische Technik, Rehabilitation,…
• Biologie:
Strahlungsimmission, Nanowissenschaften,
neue Materialien,…
• Grundlagen:
Quanteninformation, Grossforschung,
CERN, Messwesen,…
• Gesellschaft:
Risikoforschung, Mensch-Maschine,
Innovation, Marketing, soziotechnischer
Wandel, Umwelt, Entwicklungshilfe…
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Einführung III
Die Welt der Elektrotechnik
• Multidisziplinär:
Elektroingenieurinnen und -ingenieure
arbeiten bereits heute in den unterschiedlichsten Berufsbranchen.
• Interdisziplinär:
Elektrotechnik bietet heute eine ideale
Ausgangslage für interdisziplinäres
Arbeiten.
• Die grössten Maschinen der Welt !
Energienetz, Telefonnetz.
Sie haben ein gutes Studium gewählt !
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Einführung IV
Erscheinung und Beschreibung der Elektrizität
• Wir haben kein spezielles Sinnesorgan
für Elektrizität.
• Wir spüren lediglich die Wirkungen
der Elektrizität: z.B. Kraft, Wärme,
Schall und Licht.
• Elektromagnetismus ist eine Theorie,
welche viele dieser Erscheinungen
erklären kann.
• Elektromagnetismus liegt ausserhalb
der Erfahrungswelt der Mechanik, d.h.
es gibt hierzu wenig Alltagserfahrung.
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• Wir brauchen anschauliche Modelle
für die Beschreibung des Elektromagnetismus.
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Einführung V
Modelle der Elektrizität
• Gibt es anschauliche Modelle für die
Beschreibung des Elektromagnetismus?
• Nein – Ergebnisse von Experimenten
müssen abstrahiert werden, d.h. sie sind
nur mit geeigneten Modellen nachzuvollziehen.
• Z.B. Physik: mathematische Modelle
(wichtig: haben keinen Realitätsstatus !).
• Modelle der Elektrizität sind zudem in
das «Theoriegerüst» der Physik
einzupassen (z.B. Energieerhaltung).
• Wie baut man Modelle für die «unfassbare»
elektromagnetische Wirklichkeit?
• Genau das ist der Inhalt dieser Vorlesung !
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Toronto Star, 2005 (fehlerhaft !)
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Einführung VI
wir
Modellbildung
Labor
Erscheinungen
Physikalische Vorgänge
Kernspaltung
Messvorschrift
Begriffe
Energie
Massendefekt
Physikalische Grössen
E (kursiv)
Induktion, Deduktion, Erfahrung
Symbolische Beziehungen
vergleichen oder erweitern
Praxis, Politik
Konventionen
abgeleitete Einheit der Energie
Modelle
für die
Wirklichkeit
Theorien
Disziplinen
Formeln
E = m·c2
Einheiten
eV
Wissenskulturen
Wissenschaft
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Einführung VII
Physikalische Grössen
Formeln
• neues Teilgebiet tendiert
zu neuen phys. Grundgrössen.
Physikalische Grössen
(nicht aus anderen
Grössen definierbar)
(erweitern?)
• Elektrotechnik:
Ladung Q
(besser: Stromstärke i)
elektrische Feldkonstante 0
Grund-/Basisgrössen
SI-Einheiten:
• Wegstrecke s
Meter
(m)
MKSA-Einheiten:
• Masse m
Kilogramm (Kg)
• Zeit t
Sekunde
(nur 4 genügen für
die Grundlagen der
Elektrotechnik)
• elektrische Stromstärke i
Ampère
(A)
• Temperatur T
Kelvin
(K)
• Stoffmenge n
Mol
(mol)
• Lichtstärke I
Candela
(Cd)
(s)
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Einführung VIII
Physikalische Einheiten
• 4 physikalische Grundgrössen des
MKSA-Systems.
Einheitensystem der
Elektrotechnik.
• Messung: Messgrösse in Vielfachen (Zahlenwerte) von Einheiten der Grundgrösse
(Einheitsgrössen) angeben.
( physikalische Grösse) = ( Zahlenwert ) ( Einheit )
• Zahlenwert und Einheit beschreiben nur zusammen die physikalische Grösse.
• Es sei a eine physikalische Grösse, denn gelten die Operatoren:
Zahlenwert von a = {a}
Einheit von a = [ a ]
a = {a} [ a ]
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• Einheiten wurden in den
Grössendimensionen der
Lebenswelt definiert
(siehe Buch Seite 7-8).
• Physikalische Vorgänge
geschehen oft in anderen
Grössenordnungen.
Abk. für Zehnerpotenzen
(SI-Präfixe).
• Beispiele:
Laserpointer:
f = 0.47 PHz
Nanosensorchip: V ~ zl (Liter)
XUV-Laserpuls: T = 250 as
• Seit 2002: «yokto»
!!
Kleinschreibung
Grössenordnung
Grossschreibung
Einführung IX
!!
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Einführung X
Abgeleitete Einheiten
• Für physikalische Grössen, die keine Grundgrössen sind abgeleitete Einheiten.
• Im Rahmen der
SI-Einheiten zugelassen.
• Abgeleitetes System
ausgehend von 1V:
1 kg = 1Vm-2s3A
«elektr. Einheiten».
• Zusammenstellung
Anhang A4 (Buch).
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Einführung XI
Zahlenwertgleichung
Grössengleichungen
Grössengleichung
Merke:
s
v=
t
{ s } [ s ]
{v } [ v ] =
{t } [t ]
{s }
{v } = {t }
[ v ] = [ s ]
[t ]
• Nur Grössengleichungen beschreiben
physikalische (elektrotechnische) Vorgänge.
Einheitengleichung
• Grössengleichungen müssen sowohl die Zahlenwertgleichung als auch die Einheitengleichung erfüllen.
• Grössengleichungen sind stets mit Zahlenwerten
und zugehörigen Einhiten zu schreiben!
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Einführung XI
Die phyikalischen Grundlagen
1. Metallkugel M mit trockenem
Seidentuch reiben.
2. Kleiner Körper K wird angezogen.
3. Metallkugel M mit Finger
berühren: Wirkung weg.
4. Anziehung F hängt
von der Distanz ab.
Kraftwirkung F mit Mitteln der Mechanik nicht erklärbar («wunderbare» Fernwirkung).
Den Körpern K, M wird neue physikalische Eigenschaft zugeschrieben: Elektrizität.
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Einführung XII
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Phänomenologie der Elektrostatik
Q
• Durch z.B. Reibung kann ein Material «elektrisiert» werden.
• Jedes Material kann (entsprechend) «elektrisiert» werden.
R
F
[Q ] = As = C
• Elektrisierte Materialien üben auf alle kleinen Körper in der
Umgebung eine anziehende Kraft F aus.
• Kausalität: «Kraft muss eine Ursache haben» «Durch Reibung wird ein ˝Fluidum˝ aufs Material gebracht» «Fluidum ist ursächlich für Anziehung».
• Das materialartige Fluidum heisst elektrische Ladung Q.
• Leiter: frei bewegliche Ladung. Isolator: verharrende Ladung.
• Mathematisierung: zahlreiche Tests in Messanordnungen, z.B.:
Q 2
F = F ( R,Q, Material ) 1
R5
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Einführung XIII
Synthese aus zahlreichen Beobachtungen
1. Es gibt zwei Arten von Ladungen: positive und negative.
2. «Ladungsfluidum» ist teilbar bis auf eine kleinste Einnheit.
3. Ladung kann durch Berührung übertragen (abgeleitet)
werden.
4. Ungleiche Ladungen ziehen sich an, gleiche stossen sich ab.
5. Wirkung der positiven Ladung kann durch diejenige der
negativen Ladung kompensiert werden.
6. Natur tendiert zur Ladungsneutralität.
7. Ausgehend von 5. und 6. gilt Ladungserhaltung.
Aber: Was ist Elektrizität?
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Einführung XIV
Atomare Struktur der Elektrizität
Bohr‘sches
Atommodell
Grössenverhältnisse
(1012-fach)
Elektron
Elektron
-
-
-
Neutron
• Anziehung:
Atom als «Sonnensystem»
Kern
1 mm
p
n
n
p n p
n
Proton
-
• Elementarladung (Proton):
e = +1.602·10-19 As
1 cm
• Ladungsneutralität:
n=p
(10 fm)
Atomkern
Interessant: Phänomenologie
der Elektrizität reproduziert
sich auch im Kleinsten:
Elektronenhülle
Hülle
100 m
p: Anzahl Protonen im Kern (Kernladungszahl)
Ordnungszahl Z des Elements.
Ionisierung: weglösen
eines Elektrons ergibt:
Ion (+e ),
freies Elektron (-e).
n: Anzahl Elektronen in Atomhülle
A: Anzahl Nukleonen im Kern (Massenzahl)
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Einführung XV
Elektronenkonfigurationen
bestimmen Eigenschaften:
Leiter, Halbleiter, Isolator.
Periodensystem
Gruppe
# Valenzelektronen
# Schale
II
III
IV
V
VI
VII
He
2
H
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Ar
Al
Si
P
S
Cl
Ar
3
Periode
0
1
I
10
Zusammenfassung
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1.
Welt der Elektrotechnik
Energie, Information, Medizin,
Biologie,…
2.
Modellbildung
Physikalische Vorgänge, physikalische
Grössen, Formeln, Einheiten.
3.
Die Grundlagen
Elektrizität: Ladung, Kraftwirkung,
Ladungsarten, Ladungserhaltung.
4.
Die atomare Struktur
Bohr‘sches Atommodell,
Elementarladung, Ionisierung,
Ladungstrennung.
Otto von Guericke (1672)
Reiben einer Schwefelkugel
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