Grundlagen der Elektrotechnik - Einführung Bachelor Maschinenbau Bachelor Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau Bachelor Chemieingenieurwesen

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1 Gundlagen de Elektotechnik - Einfühung Bachelo Maschinenbau Bachelo Witschaftsingenieuwesen Maschinenbau Bachelo Chemieingenieuwesen Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen Fachgebiet Technikdidaktik Institut fü Elektotechnik und Infomationstechnik Kontakt: Katin.Temmen@upb.de Raum: P Tel: 0525 / Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E-

2 Oganisation Volesung Mo. 4:00 5:30 Uh in Hösaal P5.2.0 Übung Mo. 5:45 6:30 Uh in Hösaal P5.2.0 Nu goße Übungen, Aufgaben weden vogeechnet. Volesungs- und Übungsuntelagen in PAUL Tutoien Stephan Schmitz und Vitali Boge 3 Temine po Woche, Teminabstimmung heute Rechnen in Kleinguppe, Egebnis an Tafel päsentieen Püfung Klausu, 3 Rechenaufgaben mit ca. 0 Kuzfagen, 2 seitige Fomelsammlung elaubt, Daue:,5 Std. Bonuspunkte 2 Pobeklausuen (vo und 30..) Spechstunden nach Veeinbaung Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 2

3 Oganisation Dastellung de Fomelzeichen u(t) Kleine Buchstaben fü zeitlich veändeliche Gößen, abe auch fü geometische Gößen und physikalische Konstanten u, i i(t) t Goße Buchstaben fü zeitlich konstante Gößen, hie: elektische Ladung Q Vektoen mit Pfeil, hie: Gewichtskaft F G Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 3

4 Liteatu zu Volesung Manfed Albach: Gundlagen de Elektotechnik - Efahungssätze, Bauelemente, Gleichstomschaltungen - (gutes Gundlagenbuch, Inhalte stimmen mit Volesung übeein) Peason Studium, 2005 Manfed Albach: Gundlagen de Elektotechnik 2 - Peiodische und nicht peiodische Signalfomen - (gutes Gundlagenbuch, Inhalte stimmen mit Volesung übeein) Peason Studium, 2005 Busch, Rudolf: Elektotechnik und Elektonik fü Maschinenbaue und Vefahenstechnike, Vieweg/Teubne, 20, Elektonische Ressouce in de Bibliothek UPB (gutes Gundlagenbuch, Inhalte stimmen weitgehend mit Volesung übeein) Hemann Linse, Rolf Fische: Elektotechnik fü Maschinenbaue - Gundlagen und Anwendungen, Vieweg/Teubne (geht weit übe Volesungsstoff hinaus, Themen vegleichsweise kuz abgehandelt) Joachim Böcke, Reihold Noé: Skipt zu Volesung GET MB, Fassung WS 2009/200 Klaus Meekötte: Komplexe Zahlen und komplexe Wechselstomechnung, 2009 (Link: Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 4

5 Inhaltsübesicht 0. Einfühung. Elektostatisches Feld 2. Stationäe elektische Stöme und Stömungsfelde 3. De elektische Stomkeis 4. Statisches Magnetfeld 5. Zeitlich veändeliche Magnetfelde 6. Zeitliche Veändeliche Spannungen und Stöme 7. Die Gleichstommaschine Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 5

6 Einfühung: Schnittstelle Maschinenbau Elektotechnik Beispiel Fahzeugbau Quelle: Volkswagen Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 6

7 Einfühung: Schnittstelle Maschinenbau Elektotechnik Beispiel Kaftweksbau Quelle: RWE Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 7

8 Einfühung: Schnittstelle Maschinenbau Elektotechnik Beispiel Offshoe Windenegie-Anlagen Quelle: RWE Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 8

9 Einfühung: Motivation Nichts hilft dem Gedächtnis so seh als das vollständige Veständnis de Sache Giacappo Aconcio De menschliche Geist ist Einheit von Gedächtnis, Einsicht und Willen. Das Ganze ist nicht göße als das Kleinste. Augustinus Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 9

10 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede m F G Bezugsfläche Methode: Feldchaakteisieung Bestimmung von Göße (in N) und Richtung de Gewichtskaft F G eine Pobemasse m (z.b. mit eine Fedewaage) F G F G F G F G F G F G Bezugsfläche g Bezugsfläche F F G F G G Die Vektoen F G epäsentieen das Gavitationsfeld. Vektofeld In de Dastellung weden die Vektoen duch Feldlinien esetzt. Die Gewichtskaft ist von de Pobemasse m abhängig. Die Stäke des Feldes muss unabhängig von de Pobemasse m sein. Die Feldstäke (Gavitationsbeschleunigung g in m/s²) egibt sich aus de Gewichtskaft nomiet auf die Pobemasse m: g FG m Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 0

11 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede m Bestimmung de potentiellen Enegie de Masse m h F G x W W 0 F h G dx 0 F h G dx F G dx Skalapodukt F G dx F G cos dx Bezugsfläche W 0 h m gdx mit F G m g m g 0 h dx W 0 W m g x h W m g h Die potentielle Enegie W in Nm ode J ist unabhängig vom ausgewählten Weg und hängt nu von Anfangs- und Endpunkt des Weges ab. Hie ist (wie allgemein üblich) die potentielle Enegie auf de Bezugsfläche (x=0) gleich Null gesetzt woden. Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E-

12 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede h m F G Die Feldstäke (Gavitationsbeschleunigung g ) egibt sich aus de Nomieung de Gewichtskaft auf die Pobemasse m g FG m Bezugsfläche x Die potentielle Enegie hängt ebenfalls von de Pobemasse m ab. Das Potential des Gavitationsfeldes ist nach Definition die auf die Pobemasse m nomiete potentielle Enegie. g g W m g h Einheit: ode allgemein g g dx Die Bezugsfläche hat nach Definition das Potential Null. Somit ist jedem Punkt im Raum ein eindeutiges Potential zugeodnet. Damit handelt es sich beim Gavitationsfeld um ein skalaes Potentialfeld. Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 2

13 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede h z m Äquipotentialfläche F G Feldlinie x Bezugsfläche W WA F G m g h Die potentielle Enegie ist auf den senkecht zu Kaftichtung (Feldlinien) stehenden Flächen konstant. Veschiebungsenegie W A in z-richtung? A FG dz dz F cos90 dz W A 0 G und g W m F G dz Skalapodukt Damit ist das Potential des Gavitationsfeldes auf den senkecht zu den Feldlinien stehenden Äquipotentialflächen konstant. Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 3

14 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede Feldlinien Zusammenfassung Feldeigenschaften: Pobemasse Eine Masse M veändet die physikalische Stuktu des Raumes, es entsteht ein Gavitationsfeld. M Kaftwikung auf Pobemasse duch Gavitationsbeschleunigung in Richtung des Mittelpunktes de Masse M. Radialfeld Äquipotentialfläche Kaftwikung wid duch Feldlinien dagestellt Feldlinie gibt Richtung de Kaft an Vektofeld Fü jeden Punkt ist ein Potential definiet Äquipotentialflächen velaufen senkecht zu den Feldlinien skalaes Potentialfeld Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 4

15 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede Zusammenfassung Feldeigenschaften: g Sind Richtung und Göße de Feldstäke unabhängig vom Ot imme gleich, dann liegt ein Homogenfeld vo. Bezugsfläche Im Radialfeld nimmt die Feldstäke eines Potentialfeldes mit dem Quadat de Abstände de Mittelpunkte ab. g k 2 M Feldliniendichte ist popotional zum Betag de Kaft und somit auch zu Feldstäke Im Radialfeld ist die Feldliniendichte n/a() eine Funktion des Abstands. Veänden sich Richtung und Göße de Feldstäke mit dem Ot, dann liegt ein inhomogenes Feld vo. A() = Flächeninhalt de Äquipotentialflächen n = Anzahl alle Feldlinien Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 5

16 Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 6 Das Potentialfeld egibt sich aus de Integation de Feldstäke R 2 k g x g d g R g d k 2 R g k k k R k o g R g k 0 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede

17 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede Das Potentialfeld kann fü einen Schnitt duch die Anodnung als deidimensionale Obefläche dagestellt weden. Die Höhenlinien sind Äquipotentiallinien (Keislinien).,4,2 M 0,8 0,6 0,4 0, Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 7

18 Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 8 Aus dem Potentialfeld kann übe die maximale Steigung in jedem Punkt die Feldstäke emittelt weden. Begündung: Umkehung de Integation zu Enegiebestimmung Die mathematische Opeation fü die Bestimmung von Richtung und Betag de maximalen Steigung ist de Gadient De Gadient wid auf eine skalae Göße angewendet. Das Egebnis ist ein Vektofeld. Definition Gadient = Zeilenvekto (x y z) Fü ein Radialfeld gibt es nu eine Abhängigkeit vom Radius (adiale Richtung) Veeinfachte Gadient Feldstäke g (Gavitationsbeschleunigung) egibt sich aus de Potentialdefinition z y x gad gad Komponente gad g 2 k k k g o Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede

19 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede Die negative Steigung de Obefläche ist ein Maß fü die Feldstäke Im Radialfeld nimmt die Feldstäke eines Potentialfeldes mit dem Quadat de Abstände de Mittelpunkte ab. g k 2,4,2 M 0,8 0,6 0,4 0, Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 9

20 Einfühung: allgemeine Feldbegiff Beispiel: Gavitationsfeld de Ede Übelageung von Felden Bei Felden egibt sich das Gesamtfeld duch Übelageung (lineae Supeposition) de Einzelfelde duch Addition de Potentiale duch Addition de Käfte nach Betag und Richtung F G F G2 M M 2 F G,ges Gundlagen de Elektotechnik fü MB, Jun.-Pof. D.-Ing. Katin Temmen, Fachgebiet Technikdidaktik, Uni Padebon WS 20/202 E- 20