GET 1 - Allgemeine und theoretische Elektrotechnik - Universität ...
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Gr<strong>und</strong>lagen der <strong>Elektrotechnik</strong> I<br />
(<strong>GET</strong> 1)<br />
© P. Leuchtmann<br />
Daniel Erni<br />
(BA 342, daniel.erni@uni-duisburg-essen.de)<br />
Norbert Koster<br />
(BA 337, norbert.koster@uni-duisburg-essen.de)<br />
Markus Pell<br />
(BA 302, markus.pell@uni-duisburg-essen.de)<br />
Lehrstuhl für <strong>Allgemeine</strong> <strong>und</strong> Theoretische <strong>Elektrotechnik</strong> (ATE)<br />
Abteilung für <strong>Elektrotechnik</strong> <strong>und</strong> Informationstechnik<br />
Fakultät für Ingenieurwissenschaften<br />
<strong>Universität</strong> Duisburg-Essen<br />
Inhalt<br />
1. Gr<strong>und</strong>lagen<br />
2. Das elektrische Feld<br />
3. Der elektrische Strom<br />
4. Das Magnetfeld<br />
-1-<br />
-2-<br />
1
Einführung I<br />
Ingo Wolff<br />
Verlagsbuchhandlung<br />
Dr. Wolff, 2003<br />
401 Seiten, � 35.50<br />
Vorlesungsunterlagen<br />
• Lehrbuch:<br />
für die Vorlesungen <strong>GET</strong> I<br />
• Ergänzende Unterlagen zur Vorlesung:<br />
� Bildmaterial zum Buch<br />
� Ergänzende Manuskripte<br />
� Aufgabenstellungen<br />
Alles via Moodle-Server:<br />
http://moodle.uni-duisburg-essen.de/<br />
Gr<strong>und</strong>lagen der <strong>Elektrotechnik</strong> <strong>GET</strong> 1<br />
[Buch Seite 1-13]<br />
• Alternative Lehrbücher:<br />
Heinrich Frohne,<br />
«Elektrische <strong>und</strong> magnetische Felder»<br />
Teubner, 1994, 482 Seiten, leider vergriffen<br />
H, Frohne, K.-H. Löcherer, H. Müller<br />
«Moeller Gr<strong>und</strong>lagen der <strong>Elektrotechnik</strong>»<br />
Teubner, 2005, 551 Seiten, � 38.90<br />
1. Die Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Einführung<br />
• Modell der Elektrizität<br />
• Physikalische Grössen<br />
• Die physikalischen Einheiten<br />
• Grössengleichungen<br />
• Die physikalischen Gr<strong>und</strong>lagen<br />
• Die Elektrizität <strong>und</strong> ihre atomare Struktur<br />
-3-<br />
-4-<br />
2
-5-<br />
-6-<br />
Einführung I<br />
Die Welt der <strong>Elektrotechnik</strong><br />
Die Elektroingenieurin<br />
Der Elektroingenieur beschäftigt sich mit:<br />
• Energie:<br />
Elektrische Energieversorgung, Energiewandlung,<br />
Antriebe, Traktion, Werkstoffe,<br />
Regulation,…<br />
• Information:<br />
Nachrichtenübertragung, Datenverarbeitung,<br />
Fernerk<strong>und</strong>ung, Logistik, Automatisierung,<br />
Werkstoffe, Regulation, …<br />
Gegenwärtig sehr vielfältig <strong>und</strong> stark<br />
disziplinär orientiertes Fachgebiet.<br />
Einführung II<br />
Die Welt der <strong>Elektrotechnik</strong><br />
Die Elektroingenieurin<br />
Der Elektroingenieur betätigt sich<br />
zunehmend/auch in Gebieten wie:<br />
• Medizin:<br />
Biomedizinische Technik, Rehabilitation,…<br />
• Biologie:<br />
Strahlungsimmission, Nanowissenschaften,<br />
neue Materialien,…<br />
• Gr<strong>und</strong>lagen:<br />
Quanteninformation, Grossforschung,<br />
CERN, Messwesen,…<br />
• Gesellschaft:<br />
Risikoforschung, Mensch-Maschine,<br />
Innovation, Marketing, soziotechnischer<br />
Wandel, Umwelt, Entwicklungshilfe…<br />
Google Bildsuche<br />
«<strong>Elektrotechnik</strong>»<br />
3
-7-<br />
-8-<br />
Einführung III<br />
Die Welt der <strong>Elektrotechnik</strong><br />
• Multidisziplinär:<br />
Elektroingenieurinnen <strong>und</strong> -ingenieure<br />
arbeiten bereits heute in den unterschiedlichsten<br />
Berufsbranchen.<br />
• Interdisziplinär:<br />
<strong>Elektrotechnik</strong> bietet heute eine ideale<br />
Ausgangslage für interdisziplinäres<br />
Arbeiten.<br />
• Die grössten Maschinen der Welt !<br />
Energienetz, Telefonnetz.<br />
Sie haben ein gutes Studium gewählt !<br />
Einführung IV<br />
Erscheinung <strong>und</strong> Beschreibung<br />
der Elektrizität<br />
• Wir haben kein spezielles Sinnesorgan<br />
für Elektrizität.<br />
• Wir spüren lediglich die Wirkungen<br />
der Elektrizität: z.B. Kraft, Wärme,<br />
Schall <strong>und</strong> Licht.<br />
• Elektromagnetismus ist eine Theorie,<br />
welche viele dieser Erscheinungen<br />
erklären kann.<br />
• Elektromagnetismus liegt ausserhalb<br />
der Erfahrungswelt der Mechanik, d.h.<br />
es gibt hierzu wenig Alltagserfahrung.<br />
• Wir brauchen anschauliche Modelle<br />
für die Beschreibung des Elektromagnetismus.<br />
4
-9-<br />
Einführung V<br />
Modelle der Elektrizität<br />
• Gibt es anschauliche Modelle für die<br />
Beschreibung des Elektromagnetismus?<br />
• Nein – Ergebnisse von Experimenten<br />
müssen abstrahiert werden, d.h. sie sind<br />
nur mit geeigneten Modellen nachzuvollziehen.<br />
• Z.B. Physik: mathematische Modelle<br />
(wichtig: haben keinen Realitätsstatus !).<br />
• Modelle der Elektrizität sind zudem in<br />
das «Theoriegerüst» der Physik<br />
einzupassen (z.B. Energieerhaltung).<br />
• Wie baut man Modelle für die «unfassbare»<br />
elektromagnetische Wirklichkeit?<br />
• Genau das ist der Inhalt dieser Vorlesung !<br />
Einführung VI<br />
Modellbildung<br />
Kernspaltung<br />
Erscheinungen<br />
Symbolische Beziehungen<br />
Konventionen<br />
Labor<br />
Physikalische Vorgänge<br />
Messvorschrift<br />
Begriffe<br />
Physikalische Grössen<br />
Energie<br />
Induktion, Deduktion, Erfahrung<br />
E (kursiv)<br />
vergleichen oder erweitern<br />
abgeleitete Einheit der Energie<br />
Praxis, Politik<br />
wir<br />
Formeln<br />
Einheiten<br />
Massendefekt<br />
�E = �m·c 2<br />
Toronto Star, 2005 (fehlerhaft !)<br />
eV<br />
Modelle<br />
für die<br />
Wirklichkeit<br />
Theorien<br />
Disziplinen<br />
Wissenskulturen<br />
Wissenschaft<br />
-10-<br />
5
Einführung VII<br />
Physikalische Grössen<br />
Formeln<br />
• neues Teilgebiet tendiert<br />
zu neuen phys. Gr<strong>und</strong>grössen.<br />
• <strong>Elektrotechnik</strong>:<br />
Ladung Q<br />
(besser: Stromstärke i)<br />
elektrische Feldkonstante �0 MKSA-Einheiten:<br />
(nur 4 genügen für<br />
die Gr<strong>und</strong>lagen der<br />
<strong>Elektrotechnik</strong>)<br />
Einführung VIII<br />
Physikalische Einheiten<br />
Physikalische Grössen<br />
(erweitern?)<br />
Gr<strong>und</strong>-/Basisgrössen<br />
(nicht aus anderen<br />
Grössen definierbar)<br />
SI-Einheiten:<br />
• Wegstrecke s Meter (m)<br />
•Masse m Kilogramm (Kg)<br />
• Zeit t Sek<strong>und</strong>e (s)<br />
• elektrische Stromstärke i Ampère (A)<br />
• Temperatur T Kelvin (K)<br />
• Stoffmenge n Mol (mol)<br />
• Lichtstärke I� Candela (Cd)<br />
• 4 physikalische Gr<strong>und</strong>grössen des Einheitensystem der<br />
MKSA-Systems. <strong>Elektrotechnik</strong>.<br />
• Messung: Messgrösse in Vielfachen (Zahlenwerte) Einheiten der Gr<strong>und</strong>grösse<br />
(Einheitsgrössen) angeben.<br />
( physikalische Grösse)<br />
= ( Zahlenwert)<br />
� ( Einheit)<br />
• Zahlenwert <strong>und</strong> Einheit beschreiben nur zusammen die physikalische Grösse.<br />
• Es sei a eine physikalische Grösse, denn gelten die Operatoren:<br />
Zahlenwert von a = {} a<br />
Einheit von a = a<br />
[ ]<br />
[ ]<br />
��� a = {}� a a<br />
-11-<br />
-12-<br />
6
Einführung IX<br />
Grössenordnung<br />
• Einheiten wurden in den<br />
Grössendimensionen der<br />
Lebenswelt definiert<br />
(siehe Buch Seite 7-8).<br />
• Physikalische Vorgänge<br />
geschehen oft in anderen<br />
Grössenordnungen.<br />
� Abk. für Zehnerpotenzen<br />
(SI-Präfixe).<br />
• Beispiele:<br />
Laserpointer: f = 0.47 PHz<br />
Nanosensorchip: V ~ zl (Liter)<br />
XUV-Laserpuls: �T = 250 as<br />
• Seit 2002: «yokto»<br />
Einführung X<br />
Abgeleitete Einheiten<br />
Kleinschreibung<br />
Grossschreibung<br />
• Für physikalische Grössen, die keine Gr<strong>und</strong>grössen sind � abgeleitete Einheiten.<br />
• Im Rahmen der<br />
SI-Einheiten zugelassen.<br />
• Abgeleitetes System<br />
ausgehend von 1V:<br />
1 kg = 1Vm-2s3A «elektr. Einheiten».<br />
• Zusammenstellung<br />
Anhang A4 (Buch).<br />
!!<br />
!!<br />
-13-<br />
-14-<br />
7
Einführung XI<br />
Grössengleichungen<br />
Grössengleichung<br />
Merke:<br />
�<br />
v =<br />
�<br />
s<br />
t ��� � v<br />
{}� � v<br />
[ ]=<br />
�<br />
{}� s<br />
� s<br />
{}� t t<br />
[ ]<br />
[] ���<br />
Zahlenwertgleichung<br />
� {}<br />
{}= v<br />
{} t<br />
�<br />
�<br />
[<br />
[ s ]<br />
v]=<br />
[] t<br />
• Nur Grössengleichungen beschreiben<br />
physikalische (elektrotechnische) Vorgänge.<br />
Einheitengleichung<br />
• Grössengleichungen müssen sowohl die Zahlenwertgleichung<br />
als auch die Einheitengleichung erfüllen.<br />
• Grössengleichungen sind stets mit Zahlenwerten<br />
<strong>und</strong> zugehörigen Einhiten zu schreiben!<br />
Einführung XI<br />
Die phyikalischen Gr<strong>und</strong>lagen<br />
1. Metallkugel M mit trockenem<br />
Seidentuch reiben.<br />
2. Kleiner Körper K wird angezogen.<br />
3. Metallkugel M mit Finger<br />
berühren: Wirkung weg.<br />
4. Anziehung F hängt<br />
von der Distanz ab.<br />
� Kraftwirkung F mit Mitteln der Mechanik nicht erklärbar («w<strong>und</strong>erbare» Fernwirkung).<br />
� Den Körpern K, M wird neue physikalische Eigenschaft zugeschrieben: Elektrizität.<br />
�<br />
�<br />
�<br />
�<br />
�<br />
��<br />
�<br />
s<br />
-15-<br />
-16-<br />
8
Einführung XII<br />
Phänomenologie der Elektrostatik<br />
R<br />
Q<br />
F ��<br />
[ Q]=<br />
As =C<br />
Einführung XIII<br />
• Durch z.B. Reibung kann ein Material «elektrisiert» werden.<br />
• Jedes Material kann (entsprechend) «elektrisiert» werden.<br />
• Elektrisierte Materialien üben auf alle kleinen Körper in der<br />
Umgebung eine anziehende Kraft F aus.<br />
• Kausalität: «Kraft muss eine Ursache haben» �<br />
«Durch Reibung wird ein ˝Fluidum˝ aufs Material gebracht» �<br />
«Fluidum ist ursächlich für Anziehung».<br />
• Das materialartige Fluidum heisst elektrische Ladung Q.<br />
• Leiter: frei bewegliche Ladung. Isolator: verharrende Ladung.<br />
• Mathematisierung: zahlreiche Tests in Messanordnungen, z.B.:<br />
�� �� Q<br />
F = F( R,Q, Material )� 2<br />
1<br />
R 5<br />
��<br />
�<br />
��<br />
Synthese aus zahlreichen Beobachtungen<br />
1. Es gibt zwei Arten von Ladungen: positive <strong>und</strong> negative.<br />
2. «Ladungsfluidum» ist teilbar bis auf eine kleinste Einnheit.<br />
3. Ladung kann durch Berührung übertragen (abgeleitet)<br />
werden.<br />
4. Ungleiche Ladungen ziehen sich an, gleiche stossen sich ab.<br />
5. Wirkung der positiven Ladung kann durch diejenige der<br />
negativen Ladung kompensiert werden.<br />
6. Natur tendiert zur Ladungsneutralität.<br />
7. Ausgehend von 5. <strong>und</strong> 6. gilt Ladungserhaltung.<br />
Aber: Was ist Elektrizität?<br />
-17-<br />
-18-<br />
9
Einführung XIV<br />
Atomare Struktur der Elektrizität<br />
Bohr‘sches<br />
Atommodell<br />
-<br />
Atomkern<br />
-<br />
p n<br />
n<br />
p<br />
n<br />
p<br />
n<br />
Elektron<br />
Neutron<br />
-<br />
Elektronenhülle<br />
Proton<br />
Grössenverhältnisse<br />
(1012-fach) Elektron<br />
-<br />
1 mm<br />
1 cm<br />
(10 fm)<br />
Hülle<br />
100 m<br />
Kern<br />
p: Anzahl Protonen im Kern (Kernladungszahl)<br />
� Ordnungszahl Z des Elements.<br />
n: Anzahl Elektronen in Atomhülle<br />
A: Anzahl Nukleonen im Kern (Massenzahl)<br />
Einführung XV<br />
Periodensystem<br />
# Schale<br />
Periode<br />
# Valenzelektronen<br />
1<br />
2<br />
3<br />
I II III IV<br />
Gruppe<br />
Interessant: Phänomenologie<br />
der Elektrizität reproduziert<br />
sich auch im Kleinsten:<br />
• Anziehung:<br />
Atom als «Sonnensystem»<br />
• Elementarladung (Proton):<br />
e = +1.602·10 -19 As<br />
• Ladungsneutralität:<br />
n = p<br />
Ionisierung: weglösen<br />
eines Elektrons ergibt:<br />
Ion (+e ),<br />
freies Elektron (-e).<br />
Elektronenkonfigurationen<br />
bestimmen Eigenschaften:<br />
Leiter, Halbleiter, Isolator.<br />
V VI VII 0<br />
H He<br />
Li Be B C N O F Ne<br />
Na Mg Ar Si P S Cl Ar<br />
-19-<br />
-20-<br />
10
-21-<br />
Zusammenfassung<br />
1. Welt der <strong>Elektrotechnik</strong><br />
Energie, Information, Medizin,<br />
Biologie,…<br />
2. Modellbildung<br />
Physikalische Vorgänge, physikalische<br />
Grössen, Formeln, Einheiten.<br />
3. Die Gr<strong>und</strong>lagen<br />
Elektrizität: Ladung, Kraftwirkung,<br />
Ladungsarten, Ladungserhaltung.<br />
4. Die atomare Struktur<br />
Bohr‘sches Atommodell,<br />
Elementarladung, Ionisierung,<br />
Ladungstrennung.<br />
Otto von Guericke (1672)<br />
Reiben einer Schwefelkugel<br />
11