Grundlagen der Elektrotechnik I (GET 1) · Heinrich Frohne, «Elektrische und magnetische Felder»...
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Grundlagen der Elektrotechnik I
(GET 1)
Lehrstuhl für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE)
Abteilung für Elektrotechnik und Informationstechnik
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Universität Duisburg-Essen
Norbert Koster
Daniel Erni
(BA 342, [email protected])
(BA 337, [email protected])
Markus Pell
(BA 302, [email protected])
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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
H, Frohne, K.-H. Löcherer, H. Müller
«Moeller Grundlagen der Elektrotechnik»
Teubner, 2005, 551 Seiten, 38.90
Ingo Wolff
Verlagsbuchhandlung
Dr. Wolff, 2003
401 Seiten, 35.50
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1. Die Grundlagen
Grundlagen der Elektrotechnik GET 1
• Einführung
• Modell der Elektrizität
• Physikalische Grössen
• Die physikalischen Einheiten
• Grössengleichungen
• Die physikalischen Grundlagen
• Die Elektrizität und ihre atomare Struktur[Buch Seite 1-13]
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Einführung I
Die Elektroingenieurin
Der Elektroingenieur beschäftigt sich mit:
Die Welt der Elektrotechnik
Google Bildsuche
«Elektrotechnik»
• Energie:Elektrische Energieversorgung, Energie-
wandlung, Antriebe, Traktion, Werkstoffe,
Regulation,…
• Information:Nachrichtenübertragung, Datenverarbeitung,
Fernerkundung, Logistik, Automatisierung,
Werkstoffe, Regulation, …
Gegenwärtig sehr vielfältig und stark
disziplinär orientiertes Fachgebiet.
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Einführung II
Die Elektroingenieurin
Der Elektroingenieur betätigt sich
zunehmend/auch in Gebieten wie:
Die Welt der Elektrotechnik
• 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 unter-
schiedlichsten 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 Beschrei-
bung der Elektrizität
• Wir haben kein spezielles Sinnesorganfür Elektrizität.
• Wir spüren lediglich die Wirkungender Elektrizität: z.B. Kraft, Wärme,
Schall und Licht.
• Elektromagnetismus ist eine Theorie,welche viele dieser Erscheinungen
erklären kann.
• Elektromagnetismus liegt ausserhalbder Erfahrungswelt der Mechanik, d.h.
es gibt hierzu wenig Alltagserfahrung.
• Wir brauchen anschauliche Modellefür die Beschreibung des Elektro-
magnetismus.
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Einführung V
Modelle der Elektrizität
• Gibt es anschauliche Modelle für dieBeschreibung des Elektromagnetismus?
• Nein – Ergebnisse von Experimentenmüssen abstrahiert werden, d.h. sie sind
nur mit geeigneten Modellen nachzu-
vollziehen.
• Z.B. Physik: mathematische Modelle(wichtig: haben keinen Realitätsstatus !).
• Modelle der Elektrizität sind zudem indas «Theoriegerüst» der Physik
einzupassen (z.B. Energieerhaltung).
• Wie baut man Modelle für die «unfassbare»elektromagnetische Wirklichkeit?
• Genau das ist der Inhalt dieser Vorlesung !
Toronto Star, 2005 (fehlerhaft !)
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Einführung VI
Modellbildung
Erscheinungen
Begriffe
Symbolische Beziehungen
Konventionen
Physikalische Vorgänge
Physikalische Grössen
Messvorschrift
Labor
Formeln
Einheiten
Induktion, Deduktion, Erfahrung
Praxis, Politik
Modelle
für die
Wirklich-
keit
Theorien
Disziplinen
Wissens-
kulturen
Wissen-
schaft
wir
Energie E (kursiv)
Massendefekt
E = m·c2
eV
Kernspaltung
abgeleitete Einheit der Energie
vergleichen oder erweitern
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Einführung VII
Physikalische Grössen
Formeln
• Wegstrecke s Meter (m)
• Masse m Kilogramm (Kg)
• Zeit t Sekunde (s)
• elektrische Stromstärke i Ampère (A)
• Temperatur T Kelvin (K)
• Stoffmenge n Mol (mol)
• Lichtstärke I Candela (Cd)
SI-Einheiten:
MKSA-Einheiten:
(nur 4 genügen für
die Grundlagen der
Elektrotechnik)
• neues Teilgebiet tendiert
zu neuen phys. Grundgrössen.
• Elektrotechnik:
Ladung Q
(besser: Stromstärke i)
elektrische Feldkonstante 0
Physikalische Grössen
Grund-/Basisgrössen
(nicht aus anderen
Grössen definierbar)(erweitern?)
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• 4 physikalische Grundgrössen des Einheitensystem derMKSA-Systems. Elektrotechnik.
• Messung: Messgrösse in Vielfachen (Zahlenwerte) Einheiten der Grundgrösse(Einheitsgrössen) angeben.
• Zahlenwert und Einheit beschreiben nur zusammen die physikalische Grösse.
• Es sei a eine physikalische Grösse, denn gelten die Operatoren:
Einführung VIII
Physikalische Einheiten
physikalische Grösse( ) = Zahlenwert( ) Einheit( )
Zahlenwert von a = a{ }
Einheit von a = a[ ]a = a{ } a[ ]
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Einführung IX
• Einheiten wurden in denGrössendimensionen der
Lebenswelt definiert
(siehe Buch Seite 7-8).
• Physikalische Vorgängegeschehen 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»
Grössenordnung
!!Kle
inschre
ibung
Gro
ssschre
ibung
!!
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Einführung X
• Für physikalische Grössen, die keine Grundgrössen sind abgeleitete Einheiten.
• Im Rahmen derSI-Einheiten zu-
gelassen.
• Abgeleitetes Systemausgehend von 1V:
1 kg = 1Vm-2s3A
«elektr. Einheiten».
• ZusammenstellungAnhang A4 (Buch).
Abgeleitete Einheiten
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Merke:
Einführung XI
• Nur Grössengleichungen beschreibenphysikalische (elektrotechnische) Vorgänge.
• Grössengleichungen müssen sowohl die Zahlenwert-gleichung als auch die Einheitengleichung erfüllen.
• Grössengleichungen sind stets mit Zahlenwertenund zugehörigen Einhiten zu schreiben!
Grössengleichungen
v =s
tv{ } v[ ] =
s{ } s[ ]t{ } t[ ]
v{ }=s{ }t{ }
v[ ] =s[ ]t[ ]
Grössen-
gleichung
Zahlenwertgleichung
Einheitengleichung
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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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• Durch z.B. Reibung kann ein Material «elektrisiert» werden.
• Jedes Material kann (entsprechend) «elektrisiert» werden.
• 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.:
Einführung XII
Phänomenologie der Elektrostatik
FR
Q
F = F R,Q,Material( )Q2
1R5
Q[ ]=As=C
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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
Interessant: Phänomenologie
der Elektrizität reproduziert
sich auch im Kleinsten:
• Anziehung:Atom als «Sonnensystem»
• Elementarladung (Proton):e = +1.602·10-19 As
• Ladungsneutralität:n = p
1 mm
1 cm
Kern
Elektron
-
Hülle
100 m
npn
n
n
Elektron
Neutron
Proton
ElektronenhülleAtomkern
-
--
p
p
Bohr‘sches
Atommodell
Grössenverhältnisse
(1012-fach)
(10 fm)
p: Anzahl Protonen im Kern (Kernladungszahl)
Ordnungszahl Z des Elements.
n: Anzahl Elektronen in Atomhülle
A: Anzahl Nukleonen im Kern (Massenzahl)
Ionisierung: weglösen
eines Elektrons ergibt:
Ion (+e ),
freies Elektron (-e).
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Einführung XV
Periodensystem
I II III IV
Gruppe
V VI VII 0
Periode
12
3
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Ar Si P S Cl Ar
# Schale
# Valenzelektronen
Elektronenkonfigurationen
bestimmen Eigenschaften:
Leiter, Halbleiter, Isolator.
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Zusammenfassung
Otto von Guericke (1672)
Reiben einer Schwefelkugel
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.
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