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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, daniel.erni@uni-duisburg-essen.de)

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

Markus Pell

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

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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…

4

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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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