GET 1 - Allgemeine und theoretische Elektrotechnik - Universität ...

Grundlagen der Elektrotechnik I 

(GET 1) 

© P. Leuchtmann 

Daniel Erni 

(BA 342, daniel.erni@uni-duisburg-essen.de) 

Norbert Koster 

(BA 337, norbert.koster@uni-duisburg-essen.de) 

Markus Pell 

(BA 302, markus.pell@uni-duisburg-essen.de) 

Lehrstuhl für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE) 

Abteilung für Elektrotechnik und Informationstechnik 

Fakultät für Ingenieurwissenschaften 

Universität Duisburg-Essen 

Inhalt 

1. Grundlagen 

2. Das elektrische Feld 

3. Der elektrische Strom 

4. Das Magnetfeld 

-1- 

-2- 

1

Einführung I 

Ingo Wolff 

Verlagsbuchhandlung 

Dr. Wolff, 2003 

401 Seiten, � 35.50 

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/ 

Grundlagen der Elektrotechnik GET 1 

[Buch Seite 1-13] 

• 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 

1. Die Grundlagen 

• Einführung 

• Modell der Elektrizität 

• Physikalische Grössen 

• Die physikalischen Einheiten 

• Grössengleichungen 

• Die physikalischen Grundlagen 

• Die Elektrizität und ihre atomare Struktur 

-3- 

-4- 

2

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-6- 

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. 

Einführung II 


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… 

Google Bildsuche 

«Elektrotechnik» 

3

-7- 

-8- 

Einführung III 


• 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 ! 

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. 

• Wir brauchen anschauliche Modelle 

für die Beschreibung des Elektromagnetismus. 

4

-9- 

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 ! 

Einführung VI 

Modellbildung 

Kernspaltung 

Erscheinungen 

Symbolische Beziehungen 

Konventionen 

Labor 

Physikalische Vorgänge 

Messvorschrift 

Begriffe 

Physikalische Grössen 

Energie 

Induktion, Deduktion, Erfahrung 

E (kursiv) 

vergleichen oder erweitern 

abgeleitete Einheit der Energie 

Praxis, Politik 

wir 

Formeln 

Einheiten 

Massendefekt 

�E = �m·c 2 

Toronto Star, 2005 (fehlerhaft !) 

eV 

Modelle 

für die 

Wirklichkeit 

Theorien 

Disziplinen 

Wissenskulturen 

Wissenschaft 

-10- 

5

Einführung VII 


Formeln 

• neues Teilgebiet tendiert 

zu neuen phys. Grundgrössen. 

• Elektrotechnik: 

Ladung Q 

(besser: Stromstärke i) 

elektrische Feldkonstante �0 MKSA-Einheiten: 

(nur 4 genügen für 

die Grundlagen der 

Elektrotechnik) 

Einführung VIII 

Physikalische Einheiten 


(erweitern?) 

Grund-/Basisgrössen 

(nicht aus anderen 

Grössen definierbar) 

SI-Einheiten: 

• 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) 

• 4 physikalische Grundgrössen des Einheitensystem der 

MKSA-Systems. Elektrotechnik. 

• Messung: Messgrösse in Vielfachen (Zahlenwerte) 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 

-11- 

-12- 

6

Einführung IX 

Grössenordnung 

• 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» 

Einführung X 

Abgeleitete Einheiten 

Kleinschreibung 

Grossschreibung 

• 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). 

!! 

!! 

-13- 

-14- 

7

Einführung XI 

Grössengleichungen 

Grössengleichung 

Merke: 

� 

v = 

� 

s 

t �� v 

{}� � v 

[ ]= 

� 

{}� s 

� s 

{}� t t 

[ ] 

[] �� 

Zahlenwertgleichung 

� {} 

{}= v 

{} t 

� 

� 

[ 

[ s ] 

v]= 

[] 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! 

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. 

� 

� 

� 

� 

� 

�� 

� 

s 

-15- 

-16- 

8

Einführung XII 

Phänomenologie der Elektrostatik 

R 

Q 

F �� 

[ Q]= 

As =C 

Einführung XIII 

• 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.: 

�� Q 

F = F( R,Q, Material )� 2 

1 

R 5 

�� 

� 

�� 

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? 

-17- 

-18- 

9

Einführung XIV 

Atomare Struktur der Elektrizität 

Bohr‘sches 

Atommodell 

- 

Atomkern 

- 

p n 

n 

p 

n 

p 

n 

Elektron 

Neutron 

- 

Elektronenhülle 

Proton 

Grössenverhältnisse 

(1012-fach) Elektron 

- 

1 mm 

1 cm 

(10 fm) 

Hülle 

100 m 

Kern 

p: Anzahl Protonen im Kern (Kernladungszahl) 

� Ordnungszahl Z des Elements. 

n: Anzahl Elektronen in Atomhülle 

A: Anzahl Nukleonen im Kern (Massenzahl) 

Einführung XV 

Periodensystem 

# Schale 

Periode 

# Valenzelektronen 

1 

2 

3 

I II III IV 

Gruppe 

Interessant: Phänomenologie 

der Elektrizität reproduziert 

sich auch im Kleinsten: 

• Anziehung: 

Atom als «Sonnensystem» 

• Elementarladung (Proton): 

e = +1.602·10 -19 As 

• Ladungsneutralität: 

n = p 

Ionisierung: weglösen 

eines Elektrons ergibt: 

Ion (+e ), 

freies Elektron (-e). 

Elektronenkonfigurationen 

bestimmen Eigenschaften: 

Leiter, Halbleiter, Isolator. 

V VI VII 0 

H He 

Li Be B C N O F Ne 

Na Mg Ar Si P S Cl Ar 

-19- 

-20- 

10

-21- 

Zusammenfassung 

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 

11

GET 1 - Allgemeine und theoretische Elektrotechnik - Universität ...

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