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Inhalte:
Der Kurs „Experimental-Elektrotechnik“ vermittelt anhand von Demonstrationsexperiementen eine Einführung in die Grundlagen der Elektrotechnik. Dabei steht die experimentelle Erfahrung vor der theoretischen Beschreibung. Inhaltlich werden folgende Themen behandelt:
1. Elektrostatik: Ladungstrennung, Kraftwirkung auf Ladungen, Elektrisches Feld, Definition der elektrischen Spannung, Entladungsvorgänge und Momentanleistung.
2. Stationärer Stromkreis: Definition der elektrischen Stromstärke, Ohmsches Gesetz, Kirchhoffscher Maschensatz und Knotensatz und deren Konsequenz für Reihen- und Parallelschaltung, Potentiometerschaltung. Reale Spannungsquellen: StromSpannungscharakteristik realer Quellen (Batterien, Akkumulatoren, Transformatoren) und deren Beschreibung durch lineare Ersatzquellen, Innenwiderstand, Kurzschlussstrom und offene Klemmspannung, Reihen und Parallelschaltung realer Quellen, Verlustleistung in realen Quellen, Leistungsanpassung, hochohmige vs. niederohmige elektrische Leistungsübertragung.
3. Kondensator: Definition des Begriffs „Kapazität“, Zusammenhang mit der Geometrie, funktionale Strom-Spannungsabhängigkeit an einem Kondensator und deren Konsequenz für das Wechselstromverhalten sowie das zeitliche Auf- und Entladeverhalten
4. Magnetismus infolge von Stromfluss, Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter, Lorenzkraft, Ferromagnetismus, Maxwellsche Kraft (Reluktanzkraft), Gleichstrommotor (mit Permanentmagnet und als Reihen-bzw. Hauptschlussmotor)
5. Induktionsgesetz: Induktionsspannung als Funktion des magnetischen Flusses, Induktionsspannung als Ring- (bzw. Umlauf-)spannung (elektrodenlose Ringentladung, Induktionsofen), die Lenz´sche Regel, Wirbelstrombremse
6. Anwendungen des Induktionsgesetztes: fremd- und selbsterregte Generatoren, das dynamoelektrische Prinzip, Transformatoren und deren Bedeutung bei der Energieübertragung und zur Potentialtrennung, Definition der Größe „(Selbst-)Induktivität“ und des Bauelements „Spule“, StromSpannungszusammenhang an einer Spule und deren Bedeutung für das Wechselstromverhalten sowie bei Ein- und Ausschaltvorgängen.
7. Elektrische Schwingungen und Wellen: Elektrischer Schwingkreis, Ausbreitung elektrischer Schwingungen auf Leitern (Lecherleitung), Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Freiraum, Eigenschaften elektromagnetischer Wellen, Nachweis der elektromagnetischen Strahlung von Smartphones (WLAN; Bluetooth, LTE)
8. Intrinsische Halbleiter: Qualitative Einführung des Bändermodells und experimentelle Bestätigung durch Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands, Nachweis der Fundamentalabsorption sowie der Infrarottransparenz üblicher Halbleiter, Nachweis des inneren photoelektrischen Effekts (Fotoleitung) sowie (Elektro-)Lumineszenz (Eigenschaften von LEDS und Displays) sowie die Korrelation all dieser Phänomene miteinander, der Feldeffekt sowie dessen Nutzung in Feldeffekttransistoren.
9. Extrinsische Halbleiter: Idee der Substitutionsdotierung und Nachweis der Wirkung auf die elektrische Leitfähigkeit, Thermospannung und Erklärung des Begriffs „Loch“. Der pn-Übergang und dessen nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik. Nachweis der Built-in-Spannung durch den photovoltaischen Effekt (Solarzelle) , Anwendung des pn-Übergangs als Gleichrichter in Einweg- und Brückengleichrichtern sowie Spannungsvervielfacher-schaltungen.
10. Rückkopplung ideal verstärkender Elemente mit idealer Begrenzung: Gegenkopplung und deren Nutzung in Regelkreisen (Bsp. Konstant-spannungsquelle). Mitkopplung und deren Bedeutung für bistabile, astabile und monostabile Kippschaltungen, sowie Komparatoren und Schmitt-Trigger.
Lernziele:
Die Studierenden sind in der Lage:
• die physikalischen Größen elektrische Spannung, Stromstärke, Leistung, Widerstand, Kapazität, Induktivität und magnetische Fluss mit deren physikalischen Einheit korrekt zu verwenden
• Grundgesetzte der Parallel- und Reihenschaltung von Elementen anzuwenden, Spannungs- und Stromteiler zu dimensionieren und Äquivalenzwiderstände aus Reihen- und Parallelschaltung abzuleiten
• aus Strom-Spannungs-Kennlinien realer linearer Quellen Innenwiderstand, Kurzschlussstrom und offene Klemmspannung zu ermitteln.
• den Arbeitspunkt einer beliebigen Last an einer linearen Quelle zu ermitteln und daraus abgegebene Leistung und Verlustleistung zu bestimmen
• Aus dem zeitlichen Lade- oder Entladeverhalten eines Kondensators graphisch die RC-Zeitkonstante zu bestimmen
• Anhand der zeitlichen Strom-Spannungsverläufe auf die Elemente Kondensator, Ohmscher Widerstand oder Spule zu schließen
• mit der „Rechtsschraubenregel“ aus Stromrichtung auf magnetische Feldrichtung zu schließen
• mit Hilfe der „Rechten-Hand-Regel“ auf die zu erwartende Kraftwirkung in Magnetfeldern (Lorentz-Kraft) zu schließen
• Anhand der Lenz´schen Regel die zu erwartende Richtung von Strom, Spannung sowie Kraftwirkungen bei Induktionsvorgängen vorherzusagen
• Anhand der Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen auf Leitern und im Freiraum Auslöschung und Verstärkung infolge von Interferenz vorherzusagen
• In Einweg- und Brückengleichrichterschaltungen, sowie Spannungsvervielfacherschaltungen (Kaskaden) mit und ohne kapazitiver Last die zu erwartende Spannungsbelastungen an den beteiligten
Bauelementen vorherzusagen, sowie die zu erwartenden Oszillogramme zu skizzieren
• Durch Gegenkopplung verstärkender Elemente einfache Regelaufgaben (z.B: Konstant-Spannungsquelle) zu realisieren
• Durch Mitkopplung verstärkender Elemente Kippstufen (bistabil, monostabil und astabil) sowie Komparator und Schmitt-Trigger Schaltungen zu realisieren.
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