Einführung - Grundlagen der Elektrotechnik

Grundlagen der Elektrotechnik
Prof. Dr. Frank Palme
Einf€hrung
Sommersemester 2017
Willkommen!
Herzlich willkommen an der Hochschule M€nchen...
Sie erreichen mich
€ [email protected]
€ 089 / 1265-1123
€ Sprechstunde: Dienstag 13:30 • 14:30 Uhr, B163b (oder nach Vereinbarung)
Internet
€ palme.userweb.mwn.de
Skripten und Pr€fungen
€ im Internet und als Skript bei der Fachschaft
...und viel Freude und
Erfolg bei Ihrem Studium!
03 / 2017
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
Sommersemester 2017
2
Grundlagen der Elektrotechnik
Heutige Vorlesung: Einf€hrung, Grundlagen
Organisatorisches
Themen der Vorlesung
€ Systematik und Gliederung
0. Grundlagen
€ Physikalische Gr‚ƒen
• Messtechnik
• Internationales Einheitensystem
• Skalare und Vektoren
03 / 2017
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
Sommersemester 2017
3
Themen der Vorlesung • Systematik
elektromagnetische
Feldtheorie
statische
Vorg‚nge,
Gleichstrom
0. Grundlagen
1. Elektrostatik
Schaltungstechnik
2. Gleichstrom
3. Stromkreisberechnungen
4. Magnetismus
5. Wechselstrom
Wechselstrom,
nichtstation‚re
Vorg‚nge
6. Drehstrom
7. Schaltvorg‚nge
03/ 2017
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
Sommersemester 2017
4
Themen der Vorlesung • Gliederung
0. Grundlagen
€ Physikalische Gr‚ƒen, Messtechnik, Internationales Einheitensystem, Skalare und Vektoren
1. Elektrostatik
€ Ladungen, Kr„fte, elektrische Felder, Energie, Potential, Spannung, Kapazit„t, Kondensatoren
2. Gleichstrom
€ Stromst„rke, Stromdichte, Ohmsches Gesetz, Widerstand und Leitwert, Temperaturabh„ngigkeit des Widerstands
3. Stromkreisberechnungen
€ Kirchhoffsche Gesetze, Strom- und Spannungsmessung, Zweipoltheorie, Energie, Leistung, Anpassung, Wirkungsgrad
4. Magnetismus
€ Magnetisches Feld, Flussdichte, Permeabilit„t, Kr„fte, Durchflutung, magnetischer Kreis, Induktion, Induktivit„ten
5. Wechselstrom
€ Sinusf‚rmige Spannungen und Str‚me, komplexe Wechselstromrechnung, Zeigerdiagramme, Wirk- und Blindleistung
6. Drehstrom
€ Dreiphasensysteme, Stern-/Dreieckschaltung, komplexe Leistung im Drehstromnetz, Blindleistungskompensation
7. Schaltvorg‚nge
€ Differentialgleichungen, Schaltvorg„nge an Kapazit„ten und Induktivit„ten
03 / 2017
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
Sommersemester 2017
5
Physikalische Grƒ„en • Messtechnik
Physikalische Grƒ„e
€ messbare Eigenschaft eines physikalischen Objekts
€ charakterisiert durch Zahlenwert und Ma„einheit • sowie Vorstellung …ber Messunsicherheit
Messen
€ Beobachten und Quantifizieren der physikalischen Gr‚ƒe durch Vergleich mit Ma„einheit
Ma„einheit
€ Definition durch
• Ma„verkƒrperung (traditionell)
Beispiel: Urmeter (Platin-Iridium Prototyp, BIPM 1889: 1 m † 0,1 €m typ.)
Quelle: Kreis Herford
• R…ckf…hrung auf Fundamentalkonstanten (bevorzugt)
Beispiel:The metre is the length of the path travelled by light in vacuum during a time
interval of 1/299792458 of a second (BIPM 1983)
€ Systematisierung durch Einheitensystem: Mindestmenge von Basisgr‚ƒen und Basiseinheiten
03 / 2017
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
Sommersemester 2017
6
Physikalische Grƒ„en • Internationales Einheitensystem
Internationales Einheitensystem (SI, Syst€me International d•Unit‚s)
€ Einf…hrung 1960 durch BIPM (Bureau international des poids et mesures, Paris)
€ mittlerweile am weitesten verbreiteter weltweiter Standard
€ jeweils nationale Umsetzung. BRD: PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt)
SI-Basisgrƒ„en
€ 7 unabh€ngige SI-Basisgrƒ„en (nur Masse dabei noch als Maƒverk‚rperung)
Gebiet
Basisgrƒ„e
Mechanik
Elektrotechnik
Thermodynamik
Chemie
Optik
L‚nge
Masse
Zeit
Stromst‚rke
Temperatur
Stoffmenge
Lichtst‚rke
Symbol Basiseinheit Symbol
l
m
t
I
T
n
Iv
Meter
Kilogramm
Sekunde
Ampere
Kelvin
Mol
Candela
m
kg
s
A
K
mol
cd
MKS
(1889 bis 1954)
MKSA (bis 1960)
SI (seit 1960)
Stromst‚rke: zentrale elektrotechnische Basisgrƒ„e
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
03/ 2017
Sommersemester 2017
7
Physikalische Grƒ„en • Internationales Einheitensystem
abgeleitete SI-Grƒ„en
€ kohƒrente Ableitung aus SI-Basisgr‚ƒen (keine Umrechungsfaktoren)
€ 22 davon mit eigener Bezeichnung. Beispiel: Hertz (Hz), Newton (N), Volt (V)
Energie
Leistung
Ladung
Spannung
€
•
•
•
•
•
€
€
•
•
•
•
€
•
€
€
•
•
•
•
•
€
€
€
€
•
•
•
•
€
•
•
•
•
€
•
•
•
€
Symbol Einheit
2
F
W
P
Q
U
R
2
kg‚m/s
J = N‚m = V‚A‚s
W = J/s = V‚A
C = As
V = W/A = J/C
‚ = V/A
Widerstand
Kraft
Masse • Beschleunigung = Masse • L€nge / Zeit
2
2
Kraft • Weg = Masse • L€nge / Zeit
Energie / Zeit
Stromst€rke • Zeit
Leistung / Stromst€rke
Spannung / Stromst€rke
Stromst€rke
Kraft
Energie
Leistung
Ladung
Spannung
Widerstand
Zeit
Definition
L€nge
abgeleitete
Grƒ„e
Masse
SI-Basisgrƒ„en abgeleitete SI-Grƒ„en
SI-Vors‚tze zur Dezimalskalierung
€ Dezimalfaktoren 10n (ganzzahliges n) halten Gr‚ƒenangaben in einer praktikablen
Gr‚ƒenordnung. Beispiele: kV = 103 V, M• = 106 •, €A = 10-6 A, pC = 10-12 C
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
03 / 2017
Sommersemester 2017
8
Physikalische Grƒ„en • Skalare und Vektoren
Skalar
€ Physikalische Gr‚ƒe charakterisiert durch Betrag (Zahlenwert € Einheit)
m „ 1 kg
Vektor
€ Physikalische Gr‚ƒe charakterisiert durch€Betrag (Zahlenwert€€ Einheit) €
und Richtung im Raum. Beispiele: Kraft F, Geschwindigkeit v , Feldst„rke E
€ Rechenregeln
€
€
2
2
2
• Betrag F „ F „ Fx Œ Fy Œ Fz
• Multiplikation mit Skalar F
• Skalarprodukt
• Vektorprodukt
€
M
€
r
•
€
F
€
F
€ €
€ €
W „ F ƒ r „ F ƒ r ƒ cos … „ F ƒ r ƒ cos …
…
F €co
s…
€
r
Arbeit = Kraft €Weg
• Skalar
€ €
M „ F Ž r • Vektor
‹ F ˆ ‹ r ˆ ‹ F r • Fz r y ˆ
€
€ €
†
€
€ € ‰ x† ‰ x† ‰ y z
€
M • F, M • r
M „ F Ž r „ ‰ Fy † Ž ‰ r y † „ ‰ Fz r x • Fx r z †
€
M „ F ƒ r ƒ sin • Rechtssystem ‰Š Fz †‡ ‰Š rz †‡ Š‰ Fx r y • Fy r x †‡
03/ 2017
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
‹F ˆ
€ ‰ x†
F „ ‰ Fy †
‰ †
Š Fz ‡
€
„ mƒa
Sommersemester 2017
9
Elektrostatik • Ladungen, Kr‚fte und Felder
Heutige Vorlesung: Ladungen, Kr‚fte, Felder
Elektrische Ladungen
€ Ursprung
€ Kr„fte zwischen Ladungen • Coulombsches Gesetz
Elektrisches Feld
€ im Vakuum
€ in der Materie • Verschiebungsdichte
Berechung von Ladungen €ber die Verschiebungsdichte
„ Gau„scher Satz
03 / 2017
Grundlagen der Elektrotechnik € Einf•hrung
Prof. Dr. Frank Palme
Sommersemester 2017
10