Elektrische und magnetische Felder - TU Dresden

0 - 1

TUD IEE Prof. Merker Vorlesungsskript » Elektrische und Magnetische Felder «

TU Dresden Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik Prof. Dr.-Ing. habil. Renate Merker

Skript

Elektrische und magnetische Felder

Vorlesung für Studiengang Mechatronik, Regenerative Energiesysteme

Wirtschaftsingenieurwesen, Lehramt

Sommersemester 2017

0 - 2


Gliederung: 1. Grundlagen des elektrischen Feldes 2. Stationäres elektrisches Strömungsfeld 3. Elektrostatisches Feld 4. Magnetfeld

Anhang: Mathematische Grundlagen

1 - 1

TUD IEE Prof. Merker Vorlesungsskript »Elektrische und magnetische Felder«

1. Grundbegriffe des elektrischen Feldes 1.1 Ladungsdichten

Raumladung Flächenladung Linienladung

stetige Verteilung einer Ladung Q über

Volumen V

mit

Raumladungsdichte

[ ]3

0

m

C

V

QV

=

∆∆=

→∆

ρ

ρ lim

Fläche A

mit

Flächenladungsdichte

d → 0

[ ]2

0

m

C

A

QA

=

∆∆=

→∆

σ

σ lim

Linie mit Länge l

mit

Linienladungsdichte

l

a<< l

[ ]m

C

l

Ql

=

∆∆=

→∆

λ

λ0

lim

Bild 1-1

1.2 Felder im Raum a) Feldbegriff

Feld: Jedem Punkt eines Raumes ist eindeutig ein Wert einer physikalischen Größe zugeordnet.

Feldgröße: physikalische Größe, die den Raumzustand definiert

(Beispiele: Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Feldstärke)

Feldbild: Graphische Darstellung eines Feldes

Bild 1-2

1 - 2 Grundbegriffe des elektrischen Feldes

TUD IEE Prof. Merker Vorlesungsskript » Elektrische und magnetische Felder «

b) Ortsvektoren

x

y

z

ey

ex

ez

x

y

z

x

z

yr

Ortsvektoren

- kartesisches Koordinatensystem: - Kugelkoordinatensystem:

r = x ex + y ey + z ez

=z

y

x

x

y

z

r

er

x

y

z

r = I r I er = r er rezyxr222 ++=

er =r

I r I

Bild 1-3

c) Skalar- und Vektorfelder

Jedem Raumpunkt ist zugeordnet ein

Skalarfeld Vektorfeld

skalarer Wert vektorieller Wert

rr

x

y

z

x

y

z

Darstellung

p1

p2

pp2

),,(

)(

zyxfp

rfp

k== r

zz

yyxx

ezyxF

ezyxFezyxFF

rfF

r

rrr

rr

),,(

),,(),,(

)(

+

+=

=

rr

1Fr

Fr

2Fr

3Fr

xx eFr

zzeFr

rr

Bild 1-4

Feldbilder

x

y

z

p1

p1p1

Flächen (Linien) mit

gleichen Werten

Beispiele:

• Äquipotentialflächen

• Isothermen (iso : gleich)

• Isobaren (baros: Druck)

x

y

z

je größer der Betrag der vektoriellen Werte, umso dichter die Feldlinien

Vektorfelder können homogen oder inhomogen sein

Skalarfeld

FeldlinienRichtung der Linien

Dichte der Linien

Vektorfeld

p2

Bild 1-5

Grundbegriffe des elektrischen Feldes 1 - 3


Beispiele für Feldbilder:

Bild 1-6 – Bild 1-9

1.3 Coulombsches Gesetz

inhomogenes Vektorfeld

Vektorfeld Feldbild

Darstellung

vektorielle Werte Tangenten an Feldlinien

je größer der Betrag der vektoriellen Werte

umso dichter die Feldlinien Feldbild des Vektorfeldes der Geschwindigkeit eines Luftstromes im Fön

Beispiel

homogenes Vektorfeld

Vektorfeld:

Raumpunkte →

vektorielle Werte (Betrag und Richtung gleich)

Feldbild:

äquidistante Feldlinien

Darstellung

inhomogenes Vektorfeld

Feldbild:

nicht äquidistante Feldlinien

Darstellung

Vektorfeld:

Raumpunkte →

vektorielle Werte (Betrag und Richtung unterschiedlich)



rr

QQ

r

r

r

QQe

r

QQF r

r

r

r

rr

30

1

20

1

20

1

444 πε=

πε=

πε=

Q1

Q Fr

rr

r

r

r

rer

r

r

r

r

==Fr

−

Q1, Q > 0

Coulombsches Gesetz in Vektorform

Beispiel:

x

y

z

rr

Q

Q1

Fr

rer

gesucht: Kraft auf Ladung Q im RaumpunktF

r

rr

Bild 1-10

1.4 Elektrische Feldstärke

feste Ladung Q1

)(rFr

r

Probeladung Q

x

y

z

rr

Feste Ladung Q1 versetzt Raum in den Zustand, dass auf eine Probeladung Q in jedem Raumpunkt r eine Kraft

ausgeübt wird.

)(rFr

r

Bild 1-11



Q

FE

r

r

=

Definition der elektrischen Feldstärke:

[ ] [ ][ ] m

V

Asm

Ws

C

N

Q

FE 111 ====

Bild 1-12

Feldbild der elektrischen Feldstärke eines flächenhaften Leiters

I

Feldbild der elektrischen Feldstärke einer Punktladung

IQ

Er E

r

Beispiele von Feldbildern der elektrischen Feldstärke:

Bild 1-13



1.5 Spannung und Potenzial a) Definition des Potenzials

Voraussetzung:

Ladung Q im elektrischen Feld hat in jedem Raumpunkt eine potenzielle Energie

)(rEr

r

)(rWr

rr

( ) ( )Q

rWr

r

r =ϕ

Definition des Potenzials:

[ ] [ ][ ] V

As

Ws

Q

W11 ===ϕ

Bild 1-14

I I

• Raumpunkte gleichen Potenzials liegen auf Äquipotenziallinien(~flächen)

• Potenzialfeld ist ein Skalarfeld

Q

rr

Er

Äquipotentiallinie(Äquipotentialfläche)

W( )r

Bild 1-15

Er

I I

ϕ1ϕ2ϕ3

ϕ4

Q

ϕ2

ϕ1

ϕ3

ϕ4

ϕ2

Er

• Potenzial nimmt in Richtung der Feldstärke ab:

ϕ1> ϕ2 > ϕ3 >ϕ4

• Äquipotenzialflächen so zeichnen, dass zwischen benachbarten gleiche

Potenzialdifferenz: ϕ1− ϕ2 = ϕ2− ϕ3 = ϕ3−ϕ4= ...

Bild 1-16



Bezugspotenzial:

Er

ϕ=0

I I

ϕ1ϕ2ϕ3

ϕ4

Q

ϕ2

ϕ1

ϕ3

ϕ4

ϕ2

Er

ϕ=0

Beispiele für Wahl des Bezugspotenzials

Bild 1-17



b) Berechnung des Potenzials aus der Feldstärke

1-16

QrErFQrrW )()()()(r

rr

rrr == ϕmit und folgt:

')'()()(0

0 rdrErrr

r

rrr

rr

r

r

∫−= ϕϕ

Bezugspotenzial Linienintegral der elektrischen Feldstärke

Die Ladung Q hat im Raumpunkt r0die potenzielle Energie W(r0). Bei der Bewegung der Ladung Q zum Raumpunkt r gibt sie die Energie

')'(0

rdrFr

r

rrr

r

r

∫ ab.

')'()()(0

0 rdrFrWrWr

r

rrr

rr

r

r

∫−=

Die potenzielle Energie W(r) der Ladung Q im Raumpunkt r ergibt sich zu:

Bestimmung des Potenzials aus der elektrischen Feldstärke

II

Er

rr

ϕ( )r

Q Q

0rr

ϕ( )r0 'rdr

Bild 1-18

Spezialfall homogenes elektrisches Feld:

0rr

rr

homogenes elektrisches Feld: ,ErEr

rr

=)(

0rrrr −

d.h. Feldstärke ist an allen Raumpunkten gleich

Er

Bild 1-19



c) Spannung

1-201-20

')'()(')'()(

)()(

2

0

1

0

21

00

21

rdrErrdrEr

rrUr

r

r

r

rr

rrr

rrrr

r

rr

r

r

r

r

rr

∫∫ +−−=

−=

ϕϕ

ϕϕ

')'(2

1

21rdrEU

r

r

rr

rrr

r

r

rr ∫=

Linienintegral der elektrischen Feldstärke

Definition der Spannung

ϕ( )r2

ϕ( )r1

I I

Er

dr‘

r2

r1

Ur1 r2

Spannung zwischenden Raumpunkten r1 und r2

:Ur1 r2

Bild 1-20



Beispiel zur Berechnung von Potenzial und Spannung im homogenen elektrischen Feld:

x/cm

y/cm

x

xx

e

eEE

r

rr

cm

V1=

=

1 2-1-2

-1V -2V1V ϕ(0)=0V2V

geg.:

( )

=

=

0

0

,0

0

0

r

Vr

r

rϕ

ges.:

( )

=y

xrrrr

,ϕ

2102,UU

Bild 1-21



d) Existenzbedingungen für das Potenzial

c1

ϕ(r)r

r0

ϕ(r0)

I Ic2

Existenzbedingung für das Potenzial:

Zu einem Vektorfeld existiert ein Potenzialfeld (d.h. jedem Raumpunkt ist eindeutig ein Potenzialwert zugeordnet), wenn das Linienintegral

Er

Er

∫ ′′r

cr

rdrE

r

r

rrr

,0

)( vom Weg c unabhängig ist, d.h.:

∫∫ ′′=′′r

cr

r

cr

rdrErdrE

r

r

r

r

rrr

rrr

2010 ,,

)()(

0)()(0

210 ,,

=′′+′′ ∫∫−

r

cr

r

cr

rdrErdrE

r

r

r

r

rrr

rrr

Bild 1-22

1-20

rϕ(r)

I

ϕ(r0)

r0

Ic

Umlaufintegral (Zirkulation von ) ist Null.E

r

Folgerung: Maschensatz (dU = E dr)

( ) 0=′′∫ rdrErr

r

c

allgemein gilt:

Ein Vektorfeld A hat genau dann ein Potenzial, wenn das Umlaufintegral

auf einem geschlossenen Integrationsweg c verschwindet.

A heißt dann wirbelfrei.

( )∫ =0rdrArr

r

c

Bild 1-23



wirbelfreie Felder nicht wirbelfreie Felder

( )∫ =0rdrArr

r

c( )∫ ≠0rdrA

rrr

Beispiele:

c

• elektrostatisches Feld

• stationäres elektrisches Strömungsfeld

c

c

Ar

Ar

• Magnetfeld

• elektrisches Feld bei veränderlichem Magnetfeld

Bild 1-24

e) Berechnung der Feldstärke aus dem Potenzial

1-21

ϕ3

ϕ1ϕ2

ϕ4

ϕ1 ϕ2 ϕ3 ϕ4

Gradient φ (grad φ): Vektor in Richtung des steilsten Anstieges des Potenzials

E

grad ϕ

Feldstärke E = - grad φ : in Richtung des steilsten Sinkens des Potenzials

Veranschaulichung:

Berechnung der Feldstärke aus einem gegebenen Potenzial

zzyyxx

zyx

eEeEeErE

ez

ey

ex

rgradrE

rrrrr

rrrrrr

++==

∂∂+

∂∂+

∂∂−=−=

)(

)()(ϕϕϕϕ

:),,()( zyxr ϕϕ =r

)(rEr

r

Bild 1-25

Beispiel zur Berechnung des Feldstärkefeldes aus dem Potenzialfeld:





x/cm

y/cm

ϕ = 25Vcmx

cmy5,2=

ϕ = 15Vcmx

cmy5,1=

ϕ = 5Vcmx

cmy5,0=

1 2

1

2

−=

cmx

cmy

cmV

E10

r

Bild 1-26

1.6 Zusammenfassung

1-27Prof. Merker, TU Dresden 1-27

elektrische Feldstärke

elektrisches Potenzial

),,()( zyxr ϕ=ϕr

Vektorfeld(Feldliniendarstellung)

Skalarfeld(Isolinien ~flächen-darstellung)

rr

QQe

r

QQF r

rrr

30

1

20

1

44 πε=

πε= Q1

Q Fr

rr

rer

Q1, Q > 0:

Coulombsches Gesetz:

zyxr ezeyexerrrrrrr

++==

∂ϕ∂+

∂ϕ∂+

∂ϕ∂−=ϕ−= zyx e

ze

ye

xrgradrE

rrrrrr

)()(

)( 1rr

ϕ )( 2rr

ϕ

Er

)( 0rr

ϕ

Q

FE

r

r

=

)( 0rr

ϕ

∫ ′′−ϕ=ϕr

r

rdrErr

r

r

rrr

rr

0

)()()( 0

elektrische Spannung

21,rrU rr

21,rrU rr

∫ ′′=

ϕ−ϕ=

2

1

21

)(

)()( 21,

r

r

rr

rdrE

rrUr

r

rr

rrr

rr

Bezugspotenzial

2 - 1


2. Stationäres elektrisches Strömungsfeld 2.1 Wesen des stationären elektrischen Strömungsfel des

Wesen des stationären elektrischen Strömungsfeldes

• Stationäres Strömungsfeld: I = = konst.dt

dQ

• Medium: elektrischer Leiter beliebiger Form (linienhafter, flächenhafter, räumlicher Leiter)

• für das Leitergebiet gilt das Ohmsche Gesetz: U=IR

elektrischer Leiter:

A1

A2

I

I

FvQ

r

E

• im Leitergebiet: Ladungsströmung mit Geschwindigkeit v( r ) :

[ ] [ ][ ] Vs

m

E

vrErv

2

==µµ= ),()(r

rrr

µ Beweglichkeit der Ladungsträger

Bild 2-1

Strömungsfeld im Querschnitt eines elektrischen Leiters

• Gesamtstrom I teilt sich auf in gleiche Teilströme ∆ I in Teilvolumen mit Querschnitt ∆ A

→ Stromröhren

Spuren der Stromröhren: Strömungslinien

I∆ I

I

Stromröhren

Strömungslinien

∆ A1∆ A2

Bild 2-2

2.2 Stromdichte a) Definition

2 - 2 Strömungsfeld


Spezialfall: homogenes Strömungsfeld

I I

II

A

A J

Bild 2-3

b) Zusammenhang zwischen Stromdichte und Feldstärke

Strömungsfeld 2 - 3


EJrr

κ= Ohmsches Gesetz des stationären Strömungsfeldes

µρκ R= elektrische Leitfähigkeit (Materialkonstante)

[ ] [ ][ ]m

S

mVm

A

Vs

m

m

AsR 1

111

2

3=

Ω==== µρκ

mit

elektrische Leitfähigkeit κhängt ab von

Konzentration freier beweglicher Ladungsträger(Raumladungsdichte ρR)

Beweglichkeit µ der Ladungsträger

Stoffe ohne freie Ladungsträger (Isolierstoffe) haben sehr kleines κ.

Bild 2.4

Beispiele für elektrische Leitfähigkeiten:

2-5

elektrische Leitfähigkeitenκ / (Ω−1⋅m−1)

106

108

104

102

10

10-2

10-4

10-6

10-8

10-10

10-12

10-14

10-16

metallische Leiter

Kohle

Seewasser

Flusswasser

Erdbodendestilliertes Wasser

Isolier-stoffe

Pressstoffe

Keramik

Porzellan Glas

GlimmerQuarzglasPolyäthylen, PTFE

Bild 2-5



c) Beziehung zwischen Strom und Stromdichte Spezialfall: allgemeiner Fall:

IAI

• homogenes Strömungsfeld

II Jα α

A

A

A

Fläche A wird um Winkel α geneigt:

• inhomogenes Strömungsfeld

A

I

J

Zerlegung der Fläche A in Flächen-elemente dA, durch die Strom dI fließt :

dAdI

dA

J

Bild 2-6



d) Kontinuität der Stromdichte

Kontinuität der Stromdichte:

dA dAJ

Hüllfläche: H

J

Der Gesamtstrom durch eine geschlossene Hülle ist stets NULL:

∫∫ ==H

ges AdJI 0rr

Naturgesetz

Das Stromdichtefeld ist quellenfrei. Folgerung: Es gilt der Knotenpunktsatz.

Bild 2-7

e) Ausgewählte Beispiele für Stromdichten

10…100Halbleiterbauelemente

0,1Elektronenröhre (an Katoden)

3…8Elektrogeräte, Motoren

10,7Isolierte Leiter (Al, Cu, 1,5mm2 Durchmesser)

1elektrische Freileitung

J / (A/mm2)Stromdichte

Bild 2-8



2.3 Bedingungen an Grenzflächen a) senkrechte und tangentiale Strömung

κ1 κ2

J1 J2

dA1 dA2

db→ 0

JJJ

dAJdAJAdJ

==→=−=∫∫

21

1122 0rr

J

21 κκ <

E

dA2

EEE

dlEdlErdE

==→

=−=∫21

21 0r

r

κ1

κ2

db→ 0

E1

E2

dl

Bild 2-9

1

2

2

1

222111

κκ=

=κ=κ=

E

E

JEEJ

E1 E2

2

1

2

1

22

2

1

11

κκ=

=κ

=κ

=

J

J

EJJ

E

J1

J2

21 κκ <

Bild 2-10

b) Brechungsgesetz für Feldlinien

κ1 κ2

21 κκ <

E1

E2

J1

J2

aa

J1n

J2n

b

b

E1t

E2t

α1

α2

2

1

22

11

2

1

2

1

2

2

2

22

1

1

1

11

κκ=

κκ==

αα

==α

==α

t

t

t

t

n

t

n

t

n

t

n

t

E

E

J

J

J

J

E

E

J

J

E

E

tan

tan

tan

tan

Beim Übergang in ein besser (schlechter) leitendes Medium werden die Feldlinien vom (zum) Einfallslot weg (hin) gebrochen.

Dabei gilt:

tt

nn

EE

JJ

21

21

==

2

1

2

1

tantan

κκ

αα =

Brechungsgesetz für Feldlinien

Bild 2-11



c) Grenzfläche zum idealen Leiter und Nichtleiter

Feldlinien senkrecht auf Grenzfläche

Grenzfläche ist Äquipotenzialfläche

Feldlinien entlang der Grenzfläche(Grenzfläche ist Einhüllende der Feldlinien)

Äquipotenzialflächen senkrecht auf Grenzfläche

Eine Äquipotenzialfläche kann durch eine ideal leitende Grenzfläche ersetzt werden, ohne dass sich das Feldbild ändert.

Eine Hüllfläche von Feldlinien kann durch eine ideal nicht leitende Grenzfläche ersetzt werden, ohne dass sich das Feldbild ändert.

1κ 02 →κ

NichtleiterE

Grenzfläche

J

1κ ∞→2κ

idealer LeiterE

J

Grenzfläche

00tantan 122

11 =⇒== αα

κκα °→⇒∞→= 90tantan 12

2

11 αα

κκα

Bild 2-12

Anwendung:

2-12

Leiter

Nichtleiter

Bild 2-13



2.4 Berechnung elementarer Strömungsfelder Rechenschema für elementare Strömungsfelder:

Er

I Jr EJ

rr

κ=AdJIA

rr

∫∫=

)(rr

ϕ

21,rrU rr

I

UR =

* Bemessungsgleichung für homogenes Feld

A

lR

κ=

*

I I

A

Er

Jr

)( 1rr

ϕ )( 2rr

ϕ

21,rrU rr

κ

Berechnung elementarer Strömungsfelder

∫ ′′=−=2

1

21)()()( 21,

r

r

rr rdrErrU

r

r

rr

rrr

rr ϕϕ

∫ ′′−ϕ=ϕr

r

rdrErr

r

r

rrr

rr

0

)()()( 0)()( rgradrErr

r

ϕ−=

Bild 2-14

2.4.1 Kugelsymmetrische Anordnung a) Punkt- Einströmung

κ

I

in sehr großer Entfernung Gegenelektrode

)(rrϕ

J

rr

1rr

2rr

21,rrU rr

isolierteZuführung

Äquipotenzialflächen:konzentischeKugelflächen

Strömungslinien

Strom I verteilt sich gleichmäßig in alle Richtungen

Feldbild:

Bild 2-15



Berechnung der Größen für die Punkt-Einströmung:

dA

J

)(),(),( rrErJrr

rr

r

ϕges.:

rr

Hülle H

I

κ

Bild 2-16



b) Anwendung: Halbkugelerder

κ

0=κ ∞→κ

I

Halbkugelerder (Radius rE)

E

Us

.const=ϕ

r2

r1

Bild 2-17

κ

0=κ ∞→κ

I

E

κ

0=κ

I

E

Ersatzanordnung:Feld einer Punkt-Einströmung

Berechnung:

Bild 2-18



Darstellung des Potenzials (Potenzialtrichter) und der Äquipotenzialflächen

r/r E

ϕ (r) /ϕ (r E)

( ) ( )

( )( )

( ) ( )

)0

(

:

1:

2,

2

giltsomitund

Halbkugelderinnerhalbda

für

für

==∞→

=≤

=>

==

κκ

ϕϕ

ϕϕ

κπϕ

κπϕ

JE

rrrr

rrr

rrr

r

Ir

r

Ir

EE

EE

E

EE

r

r

Bild 2-19

r/r E

ϕ(r)/ϕ(rE)

Veranschaulichung der Schrittspannung

Bild 2-20



2.4.2 Zylindersymmetrische Anordnung

2-19

)(rrϕ

Strom I verteilt sich gleichmäßig radial senkrecht zum Leiter

Einströmung in unendlich ausgedehnten Linienleiter

Äquipotenzialflächen:konzentischeZylindermantelflächen

Feldbild:

κ

I

J rr

Berechnung:

l

)(),(),( rrErJrr

rr

r

ϕges.:

dA

Hülle Hκ

I

J rr

Bild 2-21





2.4.3 Überlagerung von Feldern

gesucht: Potenzial und Feldstärke herrührend von einer am Raumpunkt gelegenen Punkteinströmung I1

( )rrϕ ( )rE

rr

1rr

r1

I 1

0

1

1

4)(

rr

Ir

rr

r

−=

πκϕ 3

1

11

4

)()(

rr

rrIrE

rr

rr

rr

−−=

πκ

1rrrr −

r

)(),( rrErr

r

ϕges.:

Lösung:

Bild 2-22

Überlagerungssatz für mehrere Punkt-Einströmungen:

Die Feldgrößen (E, ϕ) der einzelnen Einströmungen addieren sich (vektoriell, skalar) in jedem Raumpunkt r.

r1

r2

r3

I 1

I 2

I 3

0

∑∑== −πκ

=ϕ=ϕ3

1

3

1 4

1)()(

n n

n

nn rr

Irr

rr

rr

∑∑== −

−πκ

==3

13

3

1

)(

4

1)()(

n n

nn

nn

rr

rrIrErE

rr

rr

rr

rr

1rrrr −

3rrrr −

r

)(),( rrErr

r

ϕges.:

Bild 2-23



Beispiel: Überlagerung der Felder zweier gleich gerichteter Punkt-Einströmungen

I 1 I 2

x

y

- a ar1 r2

1rrrr − 2rr

rr −r

x

y

)(),( rrErr

r

ϕges.:

Bild 2-24



Spezialfälle: Feldbilder: - elektrische Feldstärke

I I

Überlagerung zweier entgegengesetzt gerichteter Punkt-Einströmungen

- Potenzial:

Potential (Angaben in V)

-2000-1800-1600-1400-1200-1000-800-600-400-200

0200400600800

100012001400160018002000

1800-2000

1600-1800

1400-1600

1200-1400

1000-1200

800-1000

600-800

400-600

200-400

0-200

-200-0

-400--200

-600--400

-800--600

-1000--800

-1200--1000

-1400--1200

-1600--1400

-1800--1600

950-1000900-950850-900800-850750-800700-750650-700600-650550-600500-550450-500400-450350-400300-350250-300200-250150-200100-15050-1000-50-50-0-100--50-150--100-200--150-250--200-300--250-350--300-400--350-450--400-500--450-550--500-600--550-650--600-700--650-750--700-800--750-850--800-900--850-950--900

Bilder 2-25-2-28

Potential (Angaben in V)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1800-2000

1600-1800

1400-1600

1200-1400

1000-1200

800-1000

600-800

400-600

200-400

0-200

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

950-1000

900-950

850-900

800-850

750-800

700-750

650-700

600-650

550-600

500-550

450-500

400-450

350-400

300-350

250-300

200-250

150-200

100-150

50-100

0-50

II

Überlagerung zweier gleich gerichteter Punkt-Einströmungen



Spiegelungsprinzip

2-26

II

idealer Nichtleiter

keine Feldänderungen beim:

Schneiden mittels eines idealen Leiters entlang Äquipotenzialflächen:

Schneiden mittels eines idealen Nichtleiters entlang Strömungslinien:

IIid

eale

r N

icht

lei

ter

II

idealer

Leiter

Bild 2-29

Anwendung des Spiegelungsprinzips:

II

Kugelerder in endlicher Tiefe

I

II

Modell

idealer Nichtleiter

Bild 2-30



Beispiel für die Anwendung des Spiegelungsprinzips:

I

a

x

κ

Ersatzanordnung (Modell):Überlagerung zweier gleich gerichteter Punkt-Einströmungen

Aufgabe:geg.: Kugelerder mit Radius R in Tiefe ages.: E(x), ϕ(x) auf der Erdoberfläche

R

I

I

Modell zur Lösung:

x

y

r1

r2

R

r

)(),( rrErr

r

ϕges.:

Bild 2-31



2.5 Verlustleistungsdichte im Strömungsfeld

EJ

∆ I

∆ A

∆ PV

∆ l

∆ U

Abschnitt einer Stromröhre mit Volumen ∆ V = ∆ A ∆ l :

umgesetzte Leistung ∆ PV im Volumen ∆ V:

VJEAJlEIUP ∆=∆∆=∆∆=∆rrrr

V

Definition der Verlustleistungsdichte pV :

V

Pp V

V ∆∆=

→∆ 0V lim

κκ

22

V

JEJEp ===

rr

Die Verlustleistung PV in einem Volumen V folgt zu: dVpPV V∫∫∫=V

Bild 2-32

Beispiel: homogenes Feld



2.6 Widerstandsberechnung räumlicher Leiter

geg.: räumliche Leiteranordnung mit Leitfähigkeit κProblemstellung:

ges.: Widerstand R=U/I oder Leitwert G = I/U der Anordnung

Lösungsmöglichkeiten:

κ

U

I

a) Berechnung über Feldgrößen und Definitionsgleich ung (siehe Kap. 2.4)

Bedingung: 1. Kontaktflächen sind Äquipotenzialflächen

2. Begrenzungen zum Nichtleiter sind Einhüllende von Stromlinien

Bild 2-33

I I

A

Er

Jr

)( 1rr

ϕ )( 2rr

ϕ

21,rrU rr

κRechenschema: Widerstandsberechnung räumlicher Leiter über Feldgrößen:

Er

I Jr

AdJIA

rr

∫∫=

)(rr

ϕ

21,rrU rr

I

UR =

∫ ′′=−=2

1

21)()()( 21,

r

r

rr rdrErrU

r

r

rr

rrr

rr ϕϕ∫∫

∫ ′′

=

A

r

rrr

AdJ

rdrE

Rrr

rrr

r

r

rr

2

1

21

)(

,allg.:

U

IG =

Bild 2-34



Beispiel: Berechnung des „Kugelwiderstandes“ einer konzentrischen Anordnung

Ersatzanordnung:Feld einer Punkt-Einströmung

κ

irr

arr

arr

irr

Äquipotenzialflächen

Anordnung

I

I

κ

I

Bild 2-35



b) Widerstandsberechnung räumlicher Leiter über die Bemessungsgleichung des Widerstandes/Leitwertes für das homogene Feld

A

lR

κ=

l

AG

κ=

Weg:

1. Zerlegung des Feldraumes in differentielle Raumelemente mit annähernd homogener Feldverteilung

2. Bestimmung des Widerstandes dR/ Leitwertes dG des differentiellen Raumelementes, wenn Raumelemente in Serie/ parallel geschaltet sind

3. Berechnung des Gesamtwiderstandes/Gesamtleitwertes durch Integration

über Bemessungsgleichung des Widerstandes/Leitwertes für homogenes Feld:

I Iκ

l

A

Bild 2-36

Beispiele:

• Berechnung des „Kugelwiderstandes“ einer konzentrischen Anordnung

κ

irr ar

r

I

I

dr

...I I

Reihenschaltung der Widerstände dRder differentiellen Raumelemente (rote Bereiche):

Bild 2-37



I

I

1rr

2rr

rr

b

dr

A

• Widerstand eines bogenförmigen Leiters

radiale Durchströmung

...

I

I

Reihenschaltung der Widerstände dRder differentiellen Raumelemente (rote Bereiche):

Bild 2-38

I

I

2rr

1rr

rr

b

A

• Widerstand eines bogenförmigen Leiters

Längsdurchströmung

...

I

I

Parallelschaltung der Widerstände dRder differentiellen Raumelemente (rote Bereiche):

Bild 2-39



2.7 Zusammenfassung

2-37

Stationäres Strömungsfeld

Gleichstromkreis (Integralverhalten zwischen ausgezeichneten Schnittstellen P):

Antriebsquelle von Trägerströmung

P2

0=∫∫H

AdJrr

0=∫∫H

AdJrr

A ∫∫=A

AdJIrr

R20=∑υ υI

0=∑µ µU

0=∫c

rdEr

r

Er

EJrr

κ=H

Hκ

Quelle: R. Paul, ET1

P1

P2

P1

P3

P4

P4

P3

R1

R3 R4

Bild 2-40

3 - 1


3. Elektrostatisches Feld 3.1 Wesen des elektrostatischen Feldes

U

I = konst.

E ϕJ

U

E ϕ

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

--Q+Q

Strömungsfeld( ) 0

0

0

→κ=→→κ

EJ

I elektrostatisches Feld

Dielektrikum ε(κ = 0)

Leiter: κ >0

Bild 3-1

3 - 2 Elektrostatisches Feld


++++++++++

----------

+Q

-Q

+Q -Q

+Q hat immer –Q als Partner im Raum

Beispiele elektrostatischer Felder

E

E

kugelsymmetrische AnordnungPlattenkondensator

Bild 3-2

3.2 Influenz

In einem Leiter im elektrischen Feld werden Ladungen getrennt (verschoben):

Influenz:

------

++

++

++

++++++++++

----------

+Q -Q

------

++

++

++

++++++++++

----------

+Q -Q

++

++

+++

-Q

++

++

++ +

+

++

++

++

+

++

++

+ +

+Q

Bild 3-3

Elektrostatisches Feld 3 - 3


Anwendung: Abschirmung einer Ladung durch kurzzeitig geerdete Metallhülle:

Bild 3-4

Dielektrische Polarisation:

Elektret

++++++++++

----------

+Q -Q

- + - + - +

- + - + - +

- + - + - +

- + - + - +

Dielektrikum

verschiedene Arten der dielektrischen Polarisation: z.B. atomare Polarisation, Dipol-Polarisation

Anwendungen: bei Erfordernis eines elektrischen Feldes: Luftfilter, Elektret-Mikrofone etc.

Elektret-

elektrisches Analogon zum Dauermagneten

z.B. in M.Ahlbach: Grundlagen der Elektrotechnik 1

Bild 3-5

3.3 Physikalische Größen des elektrostatischen Feld es a) Verschiebungsfluss und Verschiebungsflussdichte

+Q∆Q

Verschiebungsflusslinien(von + nach -)

Q∆=∆Ψ

Verschiebungsflussröhre

Anordnung: Metallhüllen auf Äquipotenzialflächen, im Mittelpunkt Ladung Q

A∆

D

Ladung Q (bzw. ∆Q ) bewirkt in den Metallhüllen (bzw. Teilen der Metallhüllen) eine Ladungsverschiebung:

• In allen Metallhüllen werden gleiche Ladungen verschoben.

• Die auf einer geschlossenen Metallhülle insgesamt verschobene Ladung ist gleich der umhüllten Ladung.

• Ladungsverschiebung bei Q = konstant ist unabhängig vom Dielektrikum

Definition Verschiebungsfluss Ψ : Q=Ψ(Analogie SF: Strom I )

[ ] [ ] AsQ 1==Ψ

Bild 3-6



Spezialfall: homogenes Feld

E ϕ

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

--Q+Q

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

U

E ϕ

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

--Q+Q

D

U

A

A

QD =Q=Ψ

Bild 3-7

Grundeigenschaft:

Der Verschiebungsfluss Ψ im nicht leitenden Medium durch eine geschlossene Hülle H ist gleich der eingeschlossenen Ladung Q:

∫∫ =H

QAdDrr Naturgesetz

(Gaußsches Gesetz der Elektrostatik)

Das elektrostatische Feld ist ein Quellenfeld.

∫∫ ==H

ges AdJI 0rr

Analogie SF:

Hüllfläche: H

D+QdA

Bild 3-8

Der Verschiebungsfluss Ψ transportiert (im Gegensatz zum Strom I im SF) nichts Materielles wie etwa Ladungsträger. Er überträgt die Wirkung des zugrunde liegenden Kraftfeldes von einem zu einem anderen Punkt, so dass Ladungen in Leitern, die in das Feld eingebracht werden, verschoben werden.



Hüllfläche H: Kugeloberfläche

eingeschlossene Ladung:-Q1

dAdA

D-Q1

Beispielanordnung:

Bild 3-8

b) Zusammenhang zwischen Verschiebungsflussdichte u nd Feldstärke

relative Dielektrizitätszahl εr (bei 20°C)

Bariumtitanat einige 1000

Glas 5…12

Holz 2…7

Papier 1,5…3

Destilliertes Wasser 80

Porzellan 5

Polystyren 2,6

Metalle 1

Silizium 12

Galiumarsenid 11 Bild 3-9

3-9

U = konst.

ε

ε0

D

Elektrodenspannung U = const.

U = konst.

ε

D

Q, Ψ,D vergrößern sich (E konst.):

U

ε

E

U

ε

ε0

E

Elektrodenladung Q = const.

E,U verkleinern sich (D konst.):

b)a)

Bild 3-10



c) Bedingungen an Grenzflächen Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika

ε1 ε2

ε1 ε2

α1

α2α2

α1

E1

E2

D1

D2

21 εε >

D1n

D2n E1t

E2t

a a

b

b

nn DD 21 = tt EE 21 =

Ladungsfluss durch Grenzfläche ist stetig. Grenzfläche ist Quelle (Senke) von Feldlinien.

2

1

20

10

2

1

1

2

2

1

2

1

tan

tan

r

r

r

r

n

n

t

t

E

E

D

D

εε

εεεε

εε

αα =====

Spezialfall: Grenzfläche zu Leiternε

E

D

κ = 0Leiter mit κ→ ∞:

+++++

E = 0

Bild 3-11



d) Kapazität

C =Verschiebungsfluss ΨΨΨΨ zwischen den Elektroden A,Bmit Ladungen ±±±± Q

Spannung U zwischen den Elektroden A,B

++

+

+

+

+-

-

-

-

-

-

Ψ

U

+ Q - Q

A B

D

ε

UQ ~=Ψ

[ ] [ ][ ] )(FaradF

V

C

V

As

U

QC ====

anschaulich:

Kapazität C ist die Eigenschaft desBauelementes Kondensator,Schaltzeichen des Kondensators:

+ Q - Q

U

C

Definition der KapazitätU

QC =

(Q ist Ladung auf einer Elektrode)

Proportionalitätskonstante: Kapazität C

U

IG =

Analogie SF:

Bild 3-12

3.4 Berechnung einfacher elektrostatischer Felder Rechenschema:

Q

A

Er

Dr

)( 1rr

ϕ )( 2rr

ϕ

21,rrU rr

ε

- Q

Dr

Er

)(rr

ϕ

21,rrU rr

∫ ′′=−=2

1

21)()()( 21,

r

r

rr rdrErrU

r

r

rr

rrr

rr ϕϕ

∫ ′′−ϕ=ϕr

r

rdrErr

r

r

rrr

rr

0

)()()( 0)()( rgradrErr

r

ϕ−=

EDrr

ε=AdDQ

A

rr

∫∫=

Ψ,Q

U

Q

UC =Ψ=

d

AC

ε=


*

Bild 3-13



a) homogenes Feld (z.B. Feld eines Plattenkondensat ors)

+

+++

+

+--

--

-

-+ Q - QD

ε

-

+Fläche A

Plattenabstand d

x

ϕ (x)

d

0

A

dQ

ε−

geg.: A, Q, d,ε ges.: E, ϕ (x), U0d , C

Bild 3-14

b) Feld einer Punktladung Q (kugelsymmetrisches Feld)

3-14

Äquipotenzialflächen:konzentischeKugelflächen

ε

)(rrϕ

rr

1rr

2rr

21,rrU rr

DQ

Feldbild: Berechnung:

dA

D

Q

)(),(),( rrErDrr

rr

r

ϕges.:

rr

Hülle H

Bild 3-15





Anwendung: Berechnung der Kapazität eines Kugelkondensators:

U

Ersatzladungsanordnung:Feld einer Punktladung

+Q

-Q

U

εirr

arr ε

+Qarr

irr

Äquipotenzialflächen

Bild 3-16

c) Feld einer Linienladung Q (zylindersymmetrisches Feld)

Feldbild:

)(rrϕ

l

)(),(),( rrErDrr

rr

r

ϕges.:

Äquipotenzialflächen:konzentrische Zylindermantelflächen

dA

Hülle H

Feldbild: Berechnung:

D rr

D rr

Q

ε ε

Q

Bild 3-17





Anwendung: Berechnung der Kapazität eines Zylinderkondensators/Koaxialkabels Koaxialkabels

Ersatzladungsanordnung:Feld einer Linienladung

U

ε

irr

arr

+Q+Q

ÄquipotenzialflächenU

ε

irr

arr

1 Innenleiter, 2 Dielektrikum, 3 Außenleiter, 4 Schutzmantel

Bild 3-18



d) Feld zweier paralleler Linienladungen y

x

z

-λλλλ +λλλλa- a

-λλλλx

y

- a ar1 r2

1rrrr − 2rr

rr −r

x

y

+λλλλ

Analogie SF:entgegengesetzteEinströmungen inLinienleiter)(),( rrE

rrr

ϕges.:

Bild 3-19



e) Elektrostatisches Feld und Strömungsfeld treten gemeinsam auf e) Elektrostatisches Feld und Strömungsfeld treten gemeinsam auf

A B

εεεε

κκκκ

CAB Kapazität der Anordnung im Dielektrikum (ε )

RAB Widerstand der Anordnung im Leiter (κ )

Material: z.B. Halbleiter

τκε ====⋅

∫∫∫∫

A

AABAB

AdJ

AdD

U

Q

I

UCR rr

rr

τ : Relaxationszeit

anschauliche Interpretation:

eStromdichtchtengsflussdiVerschiebu==

κετ in einem beliebigen Raumpunkt der Anordnung

Bild 3-20

3.5 Kondensatoren Kondensatoren sind wichtige passive Bauelemente mit Einsatz z.B. für

• Energiespeicherung (z.B. Blitzgerät)

• Informationsspeicherung (DRAM)

• Sensoren in mikro-elektro-mechanischenSystemen (MEMS) Beschleunigungssensors

(Quelle: Bosch)

Klassifikation nach Bauformen/praktische Ausführungsformen:

• Röhrchenkondensatoren

• Scheibenkondensatoren

• Mehrschichtkondensatoren

mit unterschiedlichen Dielektrika wie Papier, Keramik, Kunststofffolie

z.B. in M.Ahlbach: Grundlagen der Elektrotechnik 1

Bild 3-21

3.5.1 Bemessungsgleichung (homogenes Feld)

(Herleitung siehe Kapitel 3.4a )

A

ε

d

d

AC

ε=l

AG

κ=

Analogie SF:

Beispiel: Gegeben ist ein Plattenkondensator mit A = 100cm2, d = 1mm,

Dielektrikum Luft: Vm

As120 10854,8 −⋅=ε



Vm

Achtung: Es existiert eine untere Grenze für den Plattenabstand d . Diese wird von

der Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums bestimmt.

EBRist die Feldstärke, bei der eine leitende Überbrückung zwischen den Elektroden entsteht.Beispiele: Luft: Isolator:

d

UEBR ≈

cm

kVEBR 30≈

cm

kVEBR 500≈

Bild 3-22

3.5.2 Zusammenschaltung von Kondensatoren a) Parallelschaltung

Q

Q1 Q2

- Q1- Q2

- Q

C1 C2U

Q

- Q

CU =+==

U

QQ

U

Q 21

∑=µ

µ=++=n

n CCCC1

1 K

allgemein:

Die Kapazitätswerte addieren sich bei parallel geschalteten Kondensatoren.

C1+ C2C

2

2

1

1

C

Q

C

QU ==

2

1

2

1

C

C

Q

Q =

Ladungsteiler:

Bild 3-23

b) Reihenschaltung

U

C1 C2

U1 U2

Q1 Q2-Q1 -Q2

CQ -Q

U

Voraussetzung: Es fließen keine Ladungen ab.

∑=µ µ

=n

CC 1

11

allgemein:

Spannungsteiler:

2121

22

11 C

Q

C

QUUU

C

QU

C

QU +=+===

2121 QQQUUU ==+=

21

2

21

11

11

1

CC

C

CC

C

U

U

+=

+=

1

2

2

1

C

C

U

U =

Q

U

Q

UUU

Q

U

Q

2121

1

+=

+== C

C = 11

C1

1C2

+

Bild 3-24



Anwendungen:

Bild: Kammstruktur eines oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensors.(Quelle: Bosch)

Beschleunigungssensor

Bild: Funktionsprinzip eines oberflächenmikromechanischenDrehratensensors. (Quelle: Bosch)

Drehratensensor

Bild 3-25

c) RC – Netze bei Gleichspannung

3-

Ersatzschaltbilder für RC-Kombinationen für den stationären Zustand,

d.h. für t → ∞:

R C

U

UR= 0 Uc= U

C

U

Uc= U

U= I R

C

R

I

0)(

)( ===td

tUdCtI

R

I

U= I R

Widerstand durchKurzschluss ersetzen

Kondensator durchLeerlauf ersetzen

Bild 3-26



3.6 Verschiebungsstrom a) Erscheinung und Definition

εεεεH

IK

+ Q - Q - Gesetzmäßigkeit:Jeder Strom wird von einem Magnetfeld umwirbelt.

H

- für den Fall gilt: Im Dielektrikum ist ein

Magnetfeld nachweisbar.

0≠dt

dQ

IK Konvektionsstrom(Ladungsträgerstrom)

IV

• Durch das Dielektrikum fließt ein Strom: IV Verschiebungsstrom

• Magnetfelder um IK und IV sind gleich groß. → IK = IV

dt

dQ

dt

dIV =Ψ=Definition des Verschiebungsstromes IV :

Bild 3-27

Verschiebungsstrom bei Auf- und Entladung eines Kondensators:

3-28

t

IV

I=I K I=I K

dQdQdtdt < 0Entladung des

Kondensators

D

H

H

H

U(t )

U(t )

I v entgegen Richtung

von D (E, Ψ)

t

DdQdQdtdt = 0

U(t )

U(t )

I v = 0

Aufladung des Kondensators

U(t )

I=I K I=I K

H

DH

H

dQdQdtdt > 0 U(t )

t

I v in Richtung

von D (E, Ψ)

IV



b) Verschiebungsstromdichte c) Heterostrukturen

A

εεεε

κκκκ

C Kapazität der AnordnungR Widerstand der Anordnung

Materialien (z.B. Halbleiter), die gleichzeitig Leitfähigkeit κ und Dielektrizitätskonstante ε besitzen

Bεεεε κκκκ

IErsatzschaltung:

I

BA

R

C

IK

IV

VK III +=

→ an jeder Stelle des Raumes der Heterostruktur gilt:

dt

EdEJ

JJJ VKr

rr

rrr

εκ +=

+=

Die Gesamtstromdichte ist die Summe aus Stromdichte des Konvektionsstromes plus Verschiebungsstromdichte.

Bild 3-29



Anwendung: Ersatzschaltung einer Anordnung:

Ersatzschaltung:

U(t)

I V1

IK

I I

I V2 C2

C1

R

1,0 εκ =

2, εκ

d

U(t)

A2

A1

I I

Anordnung:

Bild 3-30

3.7 UI - Beziehung am Kondensator a) lineare Kapazität

C

U(t)

I(t) Annahme: lineare Kapazität C

U

Q

Q=CU

Es gilt:

td

tUdC

dt

UCdtI

)()()( ==

VK II =

UCQ =mit folgt:dt

dQIItI VK ===)(

(C unabhängig von U und t )

Bild 3-31



allgemein gilt: Die Kondensatorladung Q ist immer stetig.*(besitzt keine Sprünge, darf aber Knickstellen aufweisen)

* rechts- und linksseitiger Grenzwert stimmen überein:Q (- t0) = Q (+ t0) bei t = t0

für zeitunabhängige Kapazität C gilt: Die Kondensatorspannung U ist stetig.

Bild 3-32



Beispiele:



b) RC-Kreis ges: UC ( t ), I( t )

UR(t)

R

CUq(t) UC(t)

I(t)

Ladevorgang mit Uq ( t ) = U0 (Gleichspannung)

Anfangsbedingung: Kondensatorspannung UC0 = 0bei t = 0

Entladevorgang mit Uq ( t ) = 0Anfangsbedingung: UC0 = UC ( t0 ),t0 = 0 Startpunkt der Entladung

UC(t)

tτ

U0

UC(t)

t

UC0

Bild 3-33



3.8 Energie im elektrostatischen Feld a) Energie

Energiespeicherung im Kondensator ist reversibel:

R

CU

C R

Ladevorgang:

Entladevorgang:

2CUQUW == 2

2U

C

2

2U

C

2

2U

CGespeicherte Energie im Kondensator kann zurück gewonnen werden.

0,0 00 == QW

∫ ′=Q

QdUW0

Annahme:

Spannungsquelle: U =konst.:

Kondensator:

UQW =

22

0 22, U

C

C

QQd

C

QW

C

QU

Q

==′== ∫

Bild 3-31



Beispiele für Energiespeicherung:

Energieakkumulation und stoßartige Abgabe

U0

Ri Ic

Uc

t1Uc Ic

tt1

z.B.- Blitzgerät- Kondensatorzündung- Impulsstromschweißen

Bild 3-32



b) Energiedichte Energiedichte

∆ Ψ = ∆ Q = D ∆ A

∆ A

∆ V

∆ l

∆ U

Für Volumen ∆ V = ∆ A ∆ l gilt:

Energie wird im elektrostatischen Feld gespeichert.

D

Bild 3-33

Energiedichte w:

∫∫∫=V

dVwWGesamtenergie W:

εε

222lim

22 DEDE

V

Ww

V===

∆∆=

∞→∆

Beispiele für maximal erreichbare Energiedichten w:

32

2max

0

120max

33

2612

2max

0

120max

cm

Ws10854,8

2

8,Vm

As10854,8,

cm

kV500

cm

Ws40

m

Ws40

2

)mV

103(

Vm

As10854,8

2

Vm

As10854,8,

cm

kV30

−

−

−

−

⋅==

=⋅==

==

⋅⋅==

⋅==

Ew

E

w

Ew

E

r

r

εε

εε

µ

ε

ε• in Luft:

• in Glas:

Bild 3-37



3.9 Kraft auf Grenzflächen 3.9.1 Kraft auf leitende Grenzflächen

+

++

+--

-

-+ Q - Q

F F

Beobachtung:

Kraft zwischen geladenen Elektroden, die Anziehung dieser bewirkt.

F

Bild 3-38

a) globale Kraftgleichung ( F ausgedrückt durch C )

+ Q

F

- Q

dx

Q = konst. → E = konst., D = konst.

Energiebilanz bei Verschiebung der rechten Platte um dx:

xFWC

QWW

m

FFeld

⋅=

==2

2

nimmt ab

nimmt zu

Bild 3-39



Anwendungen:

Elektrostatischer Motor

Bild 3-40



3-37

DMD: Digital Mirror Device

digitale Steuerung und Projektion von Licht

> 2 Millionen Mikrospiegel

- Kantenlänge: 10,8 µm,- 12° aus horizontaler Ruhelage kippbar- einzeln pro Sekunde tausendfach bewegbar

Prinzip: Spiegelelektrode

elektrostatische Kräfte

Quelle: BioPhotonik 2008

Bild 3-41

3.9.2 Kraft auf ladungsfreie Grenzflächen a) quergeschichtete Dielektrika

a) quer geschichtete Dielektrika Grenzfläche A

F

dx

11,Vε 22,Vε

21 εε >

..0 konstDkonstQI =→=→=

nach Grenzflächenbedingungen nur Normalkomponenten:

nnnn EEDDD 2121 ,,==

022

022

0

2

2

1

2

22

2

11

2

=+−

=++

=+

dxFAdxD

AdxD

dxFdVD

dVD

dWdW mF

εε

εε

AdxdV

AdxdV

−==

2

1 Volumenzunahme

Volumenabnahme

Energie-zunahme

Energie-abnahme

)(2

11

2 2121

12

2

εεεε

−=

−== nn EED

A

Fp

Kraftdichte p an Grenzfläche ist Differenz der Energiedichten beider Medien. Bild 3-42



b) längsgeschichtete Dielektrika

b) längs geschichtete Dielektrika

F

1ε

2ε

21 εε >

l b

A

U

dx

Ad ′

.. konstEkonstU =→=nach Grenzflächenbedingungen nur Tangentialkomponenten:

tttt DDEEE 2121 ,,==

AdDDdQ

UdQdxFdVE

dVE

dWdWdW elmF

′−=

=++

=+

)(22

21

2

22

1

21 εε

lbAdxbAd

AdxdV

AdxdV

==′−=

=

,2

1 Volumenzunahme

Volumenabnahme

AE

AE

F

dxbElEdxFAdxE

AdxE

22

)(22

22

21

21

22

21

εε

εεεε

−=

−=+−

( )

−=−==21

212121

2

22 εεεεεε ttDDE

A

Fp

Bild 3-43

c) Schlussfolgerungen Kraft wirkt immer senkrecht auf die Trennfläche der Dielektrika in Richtung des Mediums mit der kleineren Permittivität



3.10 Zusammenfassung

Elektrostatisches Feld und Strömungsfeld

elektrostatisches Feld

Feldstärke E

Verschiebungsfluss ΨΨΨΨ

Verschiebungsflussdichte D

D = ε E

Kapazität C

elektrisches Strömungsfeld

Feldstärke E

Strom I

Stromdichte J

J = κ E

Leitwert G

E ist wirbelfrei

Korrespondenzen

0=∫ rdE r

r

Unterschiede

QAdD H

=∫∫rr

D hat Quellen: J ist quellenfrei: 0=∫∫H AdJ rr

ε variiert:10-11…10-7 As/Vm

(4 Dekaden)

κ variiert:10-17…108 A/Vm

(25 Dekaden)

Es gibt kein Medium mit ε = 0. Es gibt Nichtleiter mit praktisch κ = 0. Bild 3-44

4 - 1


4. Magnetfeld 4.1 Wesen des magnetischen Feldes

4-1

Quelle: http://www.polarlichtinfo.de/cms/front_content.php?idcat=59

N S

S N

N S

Auftreten von Magnetfeldern z.B.:

- in der Umgebung von Naturmagneten:

- in der Umgebung elektrischer Ströme(Jeder elektrische Strom ist von einem Magnetfeld umwirbelt.)

- in der Umgebung der Erde:

H

I

Bild 4-1

4.2 magnetische Feldgrößen 4.2.1 magnetische Feldstärke H

r

, Durchflutungsgesetz

H

I

H

I

I

H

stromdurchflossener Leiter stromdurchflossene Spule

Jeder elektrische Strom ist von einem Magnetfeld umwirbelt:

(rechte Handregel)

Bild 4-2

4 - 2 Magnetisches Feld


Durchflutungsgesetz (Naturgesetz):

umf

Ac

IAdJrdH == ∫∫∫rr

rr

Das Umlaufintegral über die magnetische Feldstärke auf einemgeschlossenen Weg c ist gleich dem Gesamtstrom (Durchflutung) Iumf

durch eine beliebige in c eingespannte Fläche A.

Hr

dt

DdJJJJ KVK

r

rrrr

+=+=

mit

folgt:

∫∫∫ +=A

K

c

Addt

DdJrdH

r

r

rr

r

)( Durchflutungsgesetz(1. Maxwellsche Gleichung, Integralform)

H

c

dA A

J

ε, κ

Bild 4-3

Spezialfall: Durchflutung bei stromführenden Leitern:

4-

I 1 I 2I 3

c HA1

A2A3

dA

umf

n

c

IIrdH ===Θ ∑∫=1ν

νr

r

Die Durchflutung Θ ist gleich der vorzeichen-behafteten Summe Iumf aller umfaßten Ströme.

Verallgemeinerung:

Beispiel:

Bild 4-4

Magnetisches Feld 4 - 3


4.2.2 Berechnung einfacher Magnetfelder

I rr

J geg.: nebenstehende vom Strom ΙΙΙΙdurchflossene Anordnung, Stromdichte J

r

ges.: magnetische Feldstärkeim Raumpunkt

)(rHr

r

rr)(rH

rr

κ

Bild 4-5

a) Berechnung mittels Durchflutungsgesetz Beispiele:

1. linienhafter Leiter

)(rHr

r

I

crr

rev

Lev

rdr

y

)(rHr

r

I

cx

y

z

rr

xrr

)(rHr

r

yyeHr

xxeHr

rer

Ler

rr0

rL eerr ×

Bild 4-6





2. zylindrischer Leiter

I

cx

y

z

Rr

AA´

Bild 4-7

Anwendung: Kompassmissweisung durch stromführendes Kabel im Meer

Anordnung: Ein einpoliges Seekabel führt von Süden nach Norden einen Gleichstrom von I = 1kA und liegt in einer Tiefe von h = 30m.

I

h

y

x

ges.: Um wieviel Grad αweicht der Kompass im Schiff von der S-N-Richtung ab?

Magnetfeld der Erde:

KHr

zE eHr

r

m

A16=

Lösung:

1. Berechnung der Feldstärke an der Wasseroberfläche herrührend vom Kabel

)(2

)(2

)( 2 rer

Iee

r

IrH LrLK

rrrrrr

×=×=ππ

EHr

KHr

Hr

α

ΝS

ΝS

zL eerr =

=0

y

x

rr

mit und

x

y

z

Bild 4-8



−

+=

0)(2

)0,,(22

x

y

yx

IyxH K π

r

−=+−==×

00

100 x

y

exey

yx

eee

re yx

zyx

L

rr

rrr

rr

Für die Feldstärke an der Wasseroberfläche (x = h) im Schiff über dem Kabel(y = 0) folgt:

yK eh

Ih

h

IhH

rr

ππ 20

0

)0(2)0,0,(

2=

+=

yK ehHr

r

m

A3,5)0,0,( =

KHr

Für den Winkel α folgt:

°=→== 3,1833,0

mA

16

mA

3,5tan αα

α

ΝS

ΝS

yK eHr

r

m

A3,5=

zE eHr

r

m

A16=

Bild 4-9

3. Paralleldrahtleitung

y

- a a

2rrrr

−r

I 1 = II 2 = I )(rHr

r

)(2 rHr

r

)(1 rHr

r

x

1rrrr

−

2rr

1rr

Bild 4-10



4. Zylinderspule der Länge l mit w Windungen

Hr

l

A B

c2

c1

Bild 4-11

b) Berechnung der magnetischen Feldstärke mit dem B iot-Savartschen Gesetz

4-12

Biot-Savartsches Gesetz

geg.: vom Strom I durchflossenerlinienhafter Leiter (Raumkurve )ges.: magnetische Feldstärkeim Raumpunkt

0

I 2rr

1rr

r ′r rr

ar

)(rHr

r

rd ′r

Bezugspunkt

)(rHr

r

rr

)(λ′rr

Lösung: Biot-Savartsches Gesetz:

∫∫ ′−′−×′=×′=

2

1

2

1

33

)(

44)(

r

r

r

r rr

rrrdI

a

ardIrH

r

r

r

r

rr

rrrrr

rr

ππ

: Abstandsvektor von nach

: Raumkurve, die den Leiter beschreibt

: Linienelement des Leiters

rr

r ′r

)(λ′rr

λλ∂λ′∂=′ d

rrd

)(r

r

rra ′−=rrr

Bild 4-12

Beispiele: 1. Magnetfeld eines geraden Leiterstückes

0

I

r ′r

rr

)(rHr

r

x

y

z

z1

z2 ges.: Magnetfeld auf x –Achse herrührend von dem geraden vom Strom I durchflossenen Leiterstück auf der z –Achse

)(rHr

r

Bild 4-13



Ix

y

z

)(rHr

r

- z2

z2



I

x

y

z

)(rHr

r

Ix

y

z

)(rHr

r

-b

Bild 4-14

2. Kreisring in der yz-Ebene mit Radius R

)0,0,0(Hr

ges.: Magnetfeld im Raumpunkt herrührend von dem vom Strom I durchflossenen Kreisring in der y z –Ebene

)0,0,0(=rr

I

r ′r x

y

zR(0,0,0)

rd ′r

R z

y

I

λ r ′r

Bild 4-15



4.2.3 Weitere magnetische Feldgrößen a) magnetische Spannung magnetische Spannung V

0

c

1rr

Hr

(Bezugspunkt)

[ ] A,2

1

21

,

== ∫ VrdHVr

cr

rr

r

r

rr

rrr

IrdHrdHrdHr

cr

r

crcc

=+= ∫∫∫1

22

2

1121 ,,,

r

r

r

r

rr

rr

rr

I

1rr 2r

r

c1

c2

2rr

Hr

(Die Addition der magnetischen Spannungen in einem geschlossenen Umlauf c=c1+c2 ergibt die Summe der eingeschlossenen Ströme.)

0

Schlussfolgerungen: - das Integral ist i.a. vom Weg c abhängig

- die magnetische Feldstärke hat i.a. kein skalares Potenzial

∫2

1 ,

r

cr

rdH

r

r

rr

4-16

b) magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte

∆Φ

∆A ∆Φ

I

∆A∆A

magnetischer Fluss Φ

Bild 4-17



Kontinuität der magnetischen Flussdichte B:

dA dAB

Hüllfläche: H

B

Der Gesamtfluss durch eine geschlossene Hülle ist stets NULL:

∫∫ =H

AdB 0rr

Naturgesetz

Das Feld der magnetischen Flussdichte ist quellenfrei.

Folgerung: Es gilt der Knotenpunktsatz.

Bild 4-18

c) Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke un d magnetischer Flussdichte



Einteilung der Materialien in: • nicht ferromagnetische Materialien

0,999 991Wasser

0, 999 981Silber

0,999 975Quecksilber

0,999 990Kupfer

µrdiamagnetische Stoffe

1,000 003 8Zinn

1,000 360 0Platin

1,000 001 3Sauerstoff

1,000 022 0Aluminium

µrparamagnetische Stoffe

H

BB = f(H)

Bild 4-19

• ferromagnetische Materialien

H H

ohne äußeres Magnetfeld

schwaches äußeres Magnetfeld

starkes äußeres Magnetfeld

Weiß‘sche Bezirke

Blochwände

Bild 4-20



4-21

130 000Supermalloy (80% Ni, 16% Fe, 4% Mo)

25 000Mumetall (76% Ni, 5% Cu, 3% Mo, Fe Rest)

200…2 000Eisen, rein

µrferromagnetische Stoffe

B = f(H) HysteresekurveB

H

Br

Hc

A

A: unmagnetischer ZustandBr : RemanenzflussdichteHc: KoerzitivfeldstärkeBs: Sättigungsflussdichte

Sättigung (H~B)

Sättigung (H~B)

Neukurve

Bs

Anwendung:Magnetische Remanenz bildet Basis für alle Speicherverfahren auf Magnetismusbasis (z.B. Festplatten, Magnetbänder)

Anwendung:magnetischer Fluss statischer und niederfrequenter Magnetfelder konzentriert sich im Stoff

d) magnetischer Widerstand



e) Rechenschema

AdBA

rr

∫∫=Φ

A

lRm µ

= * ∫ ′=2

1

21,

r

r

rr rdHV

r

r

rr

rr

21,rrV rr

Br HB

rr

µ=Hr

Φ

Φ= V

Rm

Φ

A

Br

Hr

21,rrV rr

Φ

IJ,r

∫∫∫ ==A

umf AdJrdHIrr

rr

Berechnung elementarer magnetischer Felder, magnetischer Kreise


Spezialfall Durchflutungsgesetz:

Bild 4-22

Beispiel:

Hr

I

xy

z

Adr

x1 x2

h

Beispiel: Berechnung des magnetischen Flusses durch eine rechteckige Leiterschleife auf der x -Achse im Feld eines Linienleiters

Bild 4-23



4.3 Magnetische Kreise 4.3.1 Grundgesetze a) Durchflutungsgesetz

IEisen

w

I

w

Φ

c2

c1

B

A

kleiner Luftspalt

w Windungszahl

Bild 4-24



Beispiel: magnetischer Kreis: elektrische Ersatzschaltung:

I

Φ

Rm1

Rm2

Rm3

Rm4

w

Bild 4-25

b) Kontinuitätsgesetz

Hüllfläche: H

Φ1 Φ2

Φ3

dA

A1A2

A3

∫∫∫∫ ∫∫∫∫ ++==31 2

0AA AH

AdBAdBAdBAdBrrrrrrrr

3210 Φ+Φ+Φ−=

Bild 4-26

4.3.2 Beispiel für die Berechnung magnetischer Krei se

a a

aI

Φ

w

Φ1

gesucht: Φ1

32

21

mm

m

RR

R

+=

ΦΦ

321 mmm RRR

wI

+=Φ

( ) ( )32

2

3211

mm

m

mmm RR

R

RRR

wI

++=Φ

A

aRm µ

=

A, µ

Iw

Φ

Φ1

Lösung:

elektrische Ersatzschaltung:

mm RR 3 1 =

mm RR =2 mm RR 3 3 =

Bild 4-27



4.4 Induktion von Spannung 4.4.1 Induktionsgesetz

4-28

Induktionsgesetz:

E

E

Ändert sich die magnetische Flussdichte über der Zeit so ist sie von einem elektrischen (Wirbel-) Feld umgeben. E

Induktionsgesetz (2. Maxwellsche Gleichung, Integralform)∫∫∫ ∂

∂−=Ac

Adt

BrdE

r

r

rr

Umlaufintegral der elektrischen Feldstärke auf geschlossenem Weg c (Richtung: Rechtsschraube)

Flächenintegral der Flussdichteänderung durch eine auf c aufgespannte Fläche A

c

dA

E

B B

B

>0dBdt

<0dBdt

A

Bild 4-28

Längs des geschlossenen Weges c tritt eine Induktionsspannung Ui auf. Sie ist das Wegintegral der induzierten elektrischen Feldstärke:

∫∫∫ ∂∂−==

Ac

i Adt

BrdEU

r

r

rr

Lenzsche Regel:

HH I

Wird die sich ändernde magnetische Flussdichte durch eine Leiterschleifeumschlossen, so entsteht in dieser Leiterschleife ein Induktionsstrom I.

Der Induktionsstrom I bewirkt ein Magnetfeld H, das der Flussdichteänderung entgegenwirkt.

HH I

B>0dBdt

<0dBdt B

Bild 4-29



4-30

B(t)

I(t)

Strom I1 in Leiterschleife?

I1 I1

Strom I so gerichtet, dass sein Magnetfeld derErhöhung Verringerung

von B in Leiterschleife entgegen wirkt.

Beispiel:

<0dBdt>0dB

dt

A

A A

Bild 4-30

4.4.2 Ruheinduktion a) induzierte Spannung in einer Leiterschleife (w = 1)

·B

Anordnung: Ruhende Leiterschleife (mit vernachlässigbarer kleiner Öffnung) in einem zeitlich sich ändernden B - Feld

c

dA

E

∫∫∫ ∂∂−==

Ac

i Adt

BrdEU

r

r

rr

mit A = konstant folgt:

dt

dAdB

dt

dAd

t

B

AA

Φ−=−=∂∂− ∫∫∫∫

rrr

r

dt

drdEU

c

i

Φ−== ∫r

r

Bild 4-31

c1

(Integrationsweg c, Rechtsschraube)

+

-E B

A

UAB = - Ui

c2

Φ

A

B

·Φ UAB

Ersatzschaltung>0dΦdt

Bild 4-32



b) induzierte Spannung bei mehrfachem Umlauf (w > 1)

Φ1

Φ2A2

A1

Induktionsfluss Ψ

∑Φ=Ψn

n

Φn: von der n-ten Windungumfasster magnetischer Fluss

• nur eine Windung

Spezialfälle:Φ

Φ=Ψ w

• alle w Windungen umfassen den magnetischen Fluss Φ

Φ=Ψ

Φ

Bild 4-33

·Φ1

·Φ2

A2

A1

B

A

UAB

·Φ

dt

d

dt

dU v

AB

Ψ=Φ=∑ν

Φ=Ψ wfür gilt:

dt

dwU AB

Φ=

Induzierte Spannung bei mehrfachem Umlauf (w > 1)

Bild 4-34



c) Berechnung der Induktionsspannung bei Ruheindukt ion

∫= rdtHtI umfr

r

)()()()( tHtBrr

µ=AdtBt

A

rr

∫∫=Φ )()(

)()( twt Φ=Ψ

∑Φ=Ψn

n tt )()(

)(tHr

)(tBr

)(tΦ

)(tΨ

)(tI

dt

tdU AB

)(Ψ=

Anordnung: Leiter, in dem Spannung UAB erzeugt wird, umfasst ein zeitlich sich änderndes Magnetfeld

Bild 4-35

Beispiel:

Hr

I

xy

z

x1 x2

hA

BUAB

Beispiel: Berechnung der Spannung UAB an der rechteckigen Leiterschleife im zeitl. sich ändernden Magnetfeld eines Linienleiters

4-36



4.4.3 Bewegungsinduktion a) Kraft auf Ladung im Magnetfeld –Lorentzkraft

rechte Handregel für Richtung:

Q

B v

F

F

Ursache (Daumen)

Vermittlung (Zeigefinger)

Wirkung (Mittelfinger)

B

v

Auf eine sich mit der Geschwindigkeit in einem konstanten Magnetfeld bewegende Ladung Q wird eine Kraft

ausgeübt.

Br

( )BvQFr

rr

×=

vr

Lorentzkraft

Bild 4-37

b) induzierte Spannung an einem bewegten Leiter in einem konstanten Magnetfeld

v

Fm

+

-

Fel

A

B

c

Eel

B

Bild 4-38



Spezialfälle:

Spezialfälle: Leiter der Länge l, B homogen, v konstant

v

A

B

UAB = 0

3.

0, =×↑↑ BvBv r

rr

r

B

UAB = v B l

rdBvBv r

rr

rr ↑↓×, rdBvBv

rr

rr

r ↑↓×,

v

A

B

1.

B

Bvr

r×

v

A

B

UAB = 0

2.

rdBvBv r

rr

rr ×,

B

Bvr

r×

Bild 4-39

c) Beispiele • bewegte Leiterschleife in einem zeitlich konstanten Magnetfeld

4-40

gesucht: induzierte Spannung UAB

Lösung:

GFEDAc

rdBvUB

cA

AB

→→→→

×−= ∫

:

)()(

rr

r

∫∫∫∫ ×−×−×−×−=B

F

F

E

E

D

D

A

AB rdBvrdBvrdBvrdBvUr

rrr

rrr

rrr

rr

)()()()(

1)( rdBvr

rr ↑↑× 2)( rdBv

rr

r ↑↓×0= 0=

( ) ( ) 00 −+−−= hrBvhrBvU iaAB ( )x

IxB

πµ=

20

(siehe 4.2.3 e))

−

πµ=

aiAB rr

IhvU

11

20 )(, iaai rrtvrtvr −+==

x

z

yI A

B

DE

Fr i ra

zeBvBvr

rr =×

UAB

h

yeBBr

r

=

xevvrr =

1rdr

2rdr



• Unipolarmaschine

B homogen

UnipolarmaschineA B

A B A B

UAB < 0 UAB > 0

+ -+-

ω ω

B Bv

vF

F

Bild 4-41



4.5 Selbst- und Gegeninduktion

w1

Spule (1) = Erregerspule

I1(t)

H1(t)

U2

U1Φ11(t)

Φ21(t)

I1(t) → H1(t) → B1(t)Φ11(t) → U1(t) Selbstinduktion

Φ21(t) → U2(t) Gegeninduktion

Spule (2)

w2

Bild 4-42

4.5.1 Selbstinduktion, Induktivität a) Definition der Induktivität L

=Ψ=I

L

[ ] [ ][ ] (Henry)HsΩ

A

Vs ===Ψ=I

L

Induktionsfluss Ψ durch die vom Strom I umschlossene Fläche

erregender Strom I

Bauelement: Spule: mit Induktivität LI L

Bild 4-43

Selbstinduktion, Induktivität

∫= rdtHtI umfr

r

)()()()( tHtBrr

µ=AdtBt

A

rr

∫∫=Φ )()(

)()( twt Φ=Ψ

∑Φ=Ψn

n tt )()(

)(tHr

)(tBr

)(tΦ

)(tΨ

dt

tdU AB

)(Ψ=

IL

Ψ=

)(tI

linearer Fall: Ψ ∼ I

mR

wL

2

=

Bild 4-44



b) Bemessungsgleichung der Induktivität

w

I Φ

Rm : magnetischer Widerstand, der von den Windungen w umschlungen wird

Bild 4-45

Beispiel: Bestimmung der Induktivität einer Eisendrossel mit Luftspalt

w

I

µ, A

lE : mittlere Eisenlänge

lF : Luftspaltlänge

Bild 4-46



c) Strom-Spannungsbeziehung an der Spule (Induktivi tät) Beispiel:

Anschalten einer Gleichspannung an eine Spule bei t = 0

I(t)

t = 0

U0 I0

geg.: Strom I(t) = I0 für t ≤ 0

ges.: Strom I(t) für t > 0

Bild 4-47



d) Reihen- und Parallelschaltung von nicht gekoppel ten Spulen

4-48

L1 L2

U1 UnU2

…Ln

U

LI

I

L1

L2

Ln

I 1

I 2

I n… …

∑∑==

==n

i i

n

i L

U

L

U

dt

tdI

dt

tdI

11

,)()(

nIIII K++= 21 nUUUU K++= 21

∑∑==

==n

ii

n

ii L

dt

tdI

dt

tdIL

dt

tdIL

11

)()()(

∑=

=n

i iLL 1

11 ∑

=

=n

iiLL

1

nicht gekoppelte Spulen verhalten sich bei der Zusammenschaltung wie Widerstände

dt

tdILU

)(=

Bild 4-48

4.5.2 Gegeninduktion, Gegeninduktivität a) Definition der Gegeninduktivität M

I1(t)

Φ11(t)

Φ21(t)

(1) Erregerspule

(2) Induktionsspule w2

w1

I2(t)

Φ12(t)

Φ22(t)

(2) Erregerspule

w1

w2

(1) Induktionsspule

Fall 1: Fall 2:

Bild 4-49





Spezialfälle der Kopplung von Spulen:

ideale Kopplung:

keine Kopplung:

212

1221 11 LLMkkk =⇒=⇒==

000 21221 =⇒=⇒== Mkkk

(auch bei Abschirmung und großer Entfernung)

Bild 4-50



b) Zwei gekoppelte Spulen (Zweitor)

gleichsinnige Kopplung

I 1

I 2Ψ21

Ψ12

gegensinnige Kopplung

I 1

I 2Ψ21

Ψ12

Punkte charakterisieren Windungsanfang

gleichsinnige Kopplung

gegensinnige KopplungL2

I 1

L1

I 20>M0<M

Bild 4-51

c) Beispiel zur Bestimmung von Induktivität und Geg eninduktivität zweier gleichsinnig gekoppelter Spulen

w1 w2

a a

a

I 1I 2

Φ11 + Φ12

Φ21 + Φ22

Bild 4-52





4.5.3 Strom- Spannungsbeziehungen an Gegeninduktivi täten a) Grundgleichungen

Wirkungsschema:

L2

I1

L1

I2

0>M

U1 U2

w1 w2

I1 1Hr

1Br

I22Hr

2Br

12Φ11Φ

22Φ21Φ

w1 w1

w2 w2

11Ψ 12Ψ

21Ψ 22Ψ

1Ψ

2Ψ

Bild 4-53



Beispiele für Spezialfälle:

4-54

L2

I1

L1

I2

0>M

U1 U2

w1 w2

Beispiele für Spezialfälle:

1. Spannungsbeziehung bei ausgangsseitigem Leerlauf:

2

12

22

21

12

1

21

2

1

21

11

2

1

12

1112

,,

:

1

,0)(

w

wü

R

wL

R

wL

L

Lü

RRRfür

k

ü

L

L

kLLk

L

M

L

U

U

dt

dIMU

dt

dILUtI

mm

mmm

=⇒===

==

====

⇒==⇒=

2. Strombeziehung bei ausgangsseitigem Kurzschluss:

ü: Übersetzungsverhältnis

k : Koppelfaktor

ükL

L

kLLk

L

M

L

I

I

ItIM

LtI

dt

dIL

dt

dIMtU

11

)()(

0)(

1

2

21

22

2

1

022

1

22

12

−=−=−=−=

+−=

⇒−=⇒=

b) Reihenschaltung gekoppelter Spulen

Reihenschaltung gekoppelter Spulen:

L2

U1 U2 U

LII 1

U

L1 I 2

I

21 UUU += 21 III ==

( )dt

dIMLLU

dt

dIM

dt

dIL

dt

dIM

dt

dILU

221

122

211

++=

+++=

( )MLLLdt

dILU

221 ++=

=

gleichsinnige Kopplung:

Bild 4-55



gegensinnige Kopplung:

L2

U1 U2

I 1

U

L1 I 2

IU

LI

21 UUU −= 21 III −==

( )dt

dIMLLU

dt

dIM

dt

dIL

dt

dIM

dt

dILU

221

122

211

−+=

−−+=

( )MLLLdt

dILU

221 −+=

=

Bild 4-56

4.6 Energie und Kräfte im Magnetfeld 4.6.1 Energie und Energiedichte a) Energie

I

U wP

Φ⋅=Ψ w

dtIUdWdt

dWIUP

=

=⋅=

dt

dU

Ψ=

Ψ= dIdW

( ) ( ) ∫Ψ

Ψ

Ψ′+Ψ=Ψ1

1 dIWWEnergie bei Induktionsflussänderung von Ψ1 auf Ψ.

Energie geht vom Stromkreis in das magnetische Feld der Spule und wird dort gespeichert.

Bild 4-57

Spezialfall:

• linearer I-Ψ- Zusammenhang: Ψ = LΙ

• Induktionsflussänderung von 0 auf Ψ durch Stromerhöhung von 0 auf Ι

• W(0) = 0

Für diesen Spezialfall gilt: ∫ =′′=I I

LIdLIW0

2

2

Die in der Spule mit der Induktivität L gespeicherte Energie:

L

ILW

22

22 Ψ== Analogie ESTF:2

2UCW =

Bild 4-58



b) Energiedichte

∆Φ = B ∆ A

∆ A

∆ W

∆ l

LW

2

2∆Ψ=∆

ABww ∆=∆Φ=∆Ψ

mit

Al

w

R

wL

m

∆∆

== µ22

VB

lAw

ABwW ∆=∆

∆∆=∆

µµ 22

2

2

222

und

folgt:

Energiedichte:22

2 HBB

V

Ww ==

∆∆=

µ

B

Analogie ESTF:2

DEw =

Bild 4-59

4.6.2 Kraftwirkungen im Magnetfeld a) globale Kraftgleichung ( F als Funktion von I und L)

I

I

U FdWel

dx

F I L

Prinzip der virtuellen Verschiebung:

FdxIL

dUIdt

dWdWdW mechmagel

+=

+=

)2

( 2

mit .),( konstILIddUdt ==Ψ=

folgt:

dx

dLIF

FdxdLI

dLI

2

22

22

=

+=

Kraft wirkt immer in Richtung einer Induktivitätsvergrößerung

Bild 4-60



Beispiel: Elektromagnet

I

xF

lE : mittlere Eisenlänge

A

xl

A

x

A

lR

R

wL

dx

dLIF

r

Fe

r

Fem

m

000

22

22

,,2

µµ

µµµ

+=+=

==w

( )20

2

20

22

2

)(

2

2

2 xl

AIw

xl

AwIF

Fe

r

Fe +−=

+

−=∗

µ

µ

µ Kraft wirkt in Richtung einer Induktivitätsvergrößerung, d.h.x-Verkleinerung bzw. Verkürzung der Feldlinien

Bild 4-61

b) lokale Kraftgleichung ( F als Funktion von H und B)

B

µ1 µ2

dx

F

21 µµ <Annahme:

homogenes -Feld, zeitlich konstant → Φ = konst. (abgeschlossenes System)

Br

HBrr

,

Energiebilanz bei Verschiebung um dx:

ABH

F

AdxdVFdxdVBH

dWdW mechmag

2

02

0

=→

−==+

=+

(Volumenabnahme)

2

BH

A

Fp == Kraft pro Fläche, Druck auf Grenzfläche,

Energiedichte, mechanische Spannung

Bild 4-62

Spezialfälle:

Bn1

µ1 µ2

F

21 µµ <

Bn2

quergeschichtetes Medium: längsgeschichtetes Medium:

µ2

21 µµ <H t2

F µ1H t1

−==

==

21

2

21

11

2

1

µµn

nnn

BA

Fp

BBB

( )212

21

2

1 µµ −==

==

t

ntt

HA

Fp

HHH

Kraft wirkt immer in Richtung des Mediums mit dem kleineren µ.

Bild 4-63



c) Kraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld (siehe Kapitel 4.4.3a) Lorentzkraft) d) Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfel d Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld

Spezialfall:

B

I

Br

BlIF =

F

( )BlIFrrr

×=lr

Ein gerader Leiter der Länge l befindet sich in einem homogenen Magnetfeld mit der Flussdichte B und wird vom Strom Ι durchflossen:

Kraft auf Leiter

lr

: Vektor der Länge l und der Richtung des Stromes Ι

lr

Bild 4-64

H1

I 1

H2

I2

Anwendung:

llB1

F1F2

0µ

a

r

a

lIIlBIF

r

IB

r

IHI

πµ

πµ

π

2

22

210121

101

111

==

=→=→

• Leiter mit gleichsinnigen Stromfluss ziehen einander an.

• Leiter mit ungleichsinnigen Stromfluss stoßen einander ab.

Größenwerte:

21

21

2,0

1,1,100

FNF

mlcmaAII

======

Bild 4-65



5. Wechselseitige Verkopplung des elektrischen und des magnetischen Feldes

∫∫∫∫∫ ρ==VH

dVQAdDrr

0=∫∫H AdB rr

Maxwellsche Gleichungen in Integralform

∫∫∫∫∫ +=A

AAd

dt

DdAdJrdH

r

r

rrr

r

1. Maxwellsche Gleichung (Durchflutungsgesetz)

2. Maxwellsche Gleichung (Induktionsgesetz)

Adt

BrdE

A

r

r

rr

∫∫∫ ∂∂−=

Nebenbedingungen:

Materialgleichungen (für isotrope und ruhende Materialien):

(D-Feld hat Quellen) (B-Feld ist quellenfrei)

HBEDEJrrrrrr

µ=ε=κ= ,

Bild 4-66

Anhang A1


Mathematische Grundlagen

x

y

z

ey

ex

ez

x

z

yr

1. Ortsvektoren

a) Darstellung- im kartesischen Koordinatensystem

ex , ey , ez … Einheitsvektorenin x, y, z –Richtung mit

x

y

z

ex

ez

r = x ex + y ey + z ez

Ortsvektor:

I r I = r = x2 + y2 + z2

Betrag des Ortsvektors:

1=== zyx eeerrr

Bild A-1

x

y

z

r = I r I er = r err

x

z

y

- im Kugelkoordinatensystem

er … Einheitsvektor

in Richtung des Ortsvektors r 222 zyx

ezeyex

r

re zyx

r++

++==

rrrr

r

er

Bild A-2

A2 Anhang


b) Anwendung zur Beschreibung von Kurven c

x

y

c

a

b

x1

r

Beispiele:

1.Beschreibung der Kurve c:

ba

eexr yx

K

rrr

:Parameter

1

λλ+=

x

y

c

a

b

x1

r


ab

eexr yx

K

rrr

:Parameter

1

λλ+=

Richtung

Richtung

Bild A-3

x

y

c

R

rR

R

y

xα


παααK

rrr

rrr

0:Parameter

sincos yx

yx

eReRr

eyexr

⋅+⋅=

+=

R

y

r

y

R

x

r

x ====rr

αα sin,cos

Bild A-4

Allgemeine Beschreibung einer Kurve c :

x

y

z

ex

ez

cr(λ)

zyx ezeyexrrrrr

)()()()( λλλλ ++=

ba...:λ

Bild A-5

Anhang A3


TUD, IEE, Prof. Merker

2. Verknüpfung von Vektoren

),(cos bababar

r

r

r

r

r =

abbar

rr

r =

- Skalarprodukt:

ar

br

α ),( bar

r=α

1=xx eerr

Beispiele:

xer

xer

0=yx eerr

xer

yer

( ) ( )

2211

1

22

0

12

0

21

1

11

2121

bababa

eebaeebaeebaeeba

ebebeaeaba

yyxyyxxx

yxyx

+=

+++=

+⋅+=

====r

r

rrrrrrrr

rrrr

r

r

Berechnung:yxyx ebebbeaeaarr

r

rrr

2121 , +=+=

Bild A-6

zyx eaeaeaarrrr

321 ++=

zyx ebebebbrrr

r

321 ++=321

321

bbb

aaa

eee

baczyx

rrr

r

rr =×=

Berechnung:

- Vektorprodukt (Kreuzprodukt): cbar

r

r =×

),(sin babacr

r

r

rr =

(Zeigefinger)

Betrag: Richtung:

ar

br

),( bar

r

cr

(Daumen)

(Mittelfinger)(rechte Hand)

Bild A-7

A4 Anhang


3. Linienintegralea) Vektorfeld: Feld von Vektoren

x

y

z

1Fr

2Fr

3Fr

Fr

Beispiel: Kraftfeld: an jedem wirkt Kraft rr

)(rFr

r

x

y

z

r

an jedem Raumpunkt mit Ortsvektor

existiert ein Vektor zzyyxx erFerFerFrFrrrrrrr

r

)()()()( ++=r

zzeFr

xx eFr

F(r)

Bild A-8

b) LinienintegralBeispiel: Berechnung der Arbeit W, die von einem Kraftfeld beim Verschieben eines Massepunktes auf einem Weg verrichtet wird

Arbeit = Kraft · WegFr

sr

sFW

sFW

=

= rr

Fall A:

es gilt:

o

rr

r

0),(.2

konstant.1

=

=

sF

F

es gilt:

konstant),(.2

konstant.1

=α=

=

sF

Fr

r

r

sFW

sFW

sFW

rr

⋅=

=′=

)cos( α

Fall B:

Fr

sr

F ′r

α

Fr

sr

Bild A-9

Anhang A5


TUD, IEE, Prof. Merker

1rr

2rr

c

)( cirFr

r )( cjrFr

r

∆∆∆∆ rcj∆∆∆∆ rci

Arbeit:

∫

∑

=

∆⋅==→∆

∞→

2

1)(

10

d

)(lim

r

cr

n

icici

rn

rF

rrFWci

r

r

r

rr

rrr

Fall C:

∫=2

1)(

dr

cr

rFW

r

r

rr

Linienintegral von F entlang c(F entlang c integrieren)

1. Weg: Kurve c vom Raumpunkt zu mit der Darstellung

2. Kraft:

ist an den Raumpunkten nicht konstant

es gilt:

baezeyexr zyx K

rrrr

:,)()()()( λλλλλ ++=2rr

1rr

zzyyxx erFerFerFrFrrrrrrr

r

)()()()( ++=rr

Bild A-10

c) Berechnung des Linienintegrals

λλλλ

d)(d2

1)(

∂∂+

∂∂+

∂∂== ∫∫

zF

yF

xFrFW zy

b

ax

r

cr

r

r

rr

baezeyexr zyx K

rrrr

:,)()()()( λλλλλ ++=

zzyyxx erFerFerFrFrrrrrrr

r

)()()()( ++=

mit:

- Weg (Kurve c):

- Vektorfeld:

- Wegdifferential ( entlang Kurve c):rr

d

λλλλ

λλ

d)(dd zyx ez

ey

exr

rrrr

r

r

∂∂+

∂∂+

∂∂=⋅

∂∂=

Bild A-11

A6 Anhang


d) Berechnung des Linienintegrals für ein Beispiel

gesucht: die von einem Kraftfeld geleistete Arbeit Wbei Verschiebung eines Massepunktes entlang - des Halbkreises c1- der Strecke c2

.)( konstFeFF xxx == rr

rx

y

c1

R-R

R

y

xα

c2

xx eFFr

r

=

xx eFFr

r

=

0:

sincos)(

K

rrr

πλλλλ yx eReRr +=

Weg c1:

Kraft:

RR

er x

+−=K

rr

:

)(

λλλ

Weg c2:

Bild A-12

Lösung:

( ) λλλπλλλλ

dcossind

0:,sincos)(

yx

yx

eReRr

eReRrrrr

K

rrr

+−=

+=Weg c1:

( )

( ) [ ] RFRFRF

eReReFrFW

xxx

yxxxc

2cosdsin

dcossind

00

0

1

==−=

+−==

∫

∫∫

ππ

π

λλλ

λλλ rrrrr

λλλλ

dd

:,)(

x

x

er

RRerrr

K

rr

=−=Weg c2:

[ ] RFFF

eeFrFW

xR

Rx

R

Rx

R

Rxxx

c

2d

dd1

===

==

−−

−

∫

∫∫

λλ

λrrrr

Bild A-13

e) Umlaufintegral

x

y

c3

c1

∫∫∫∫ +==+

3131

ddddcc

cccrFrFrFrFr

rr

rr

rr

r

Integral entlang eines geschlossenen Weges c = c1 + c3 heißt

Umlaufintegral ∫c rFr

r

d

Bild A-14

Anhang A7


16

f) Spezialfälle des Linienintegrals ∫∫ =2

1

ddr

crc

rErE

r

r

rr

rr

1.Fall:

• Weg c Gerade vom Raumpunkt nach Raumpunkt :

• Vektor konstant für alle RaumpunkteEr

2rr

1rr

Er

c

1rr

2rr

( )12

2

1

2

1

ddd rrErErErEr

cr

r

crc

rrr

rr

rr

rr

r

r

r

r

−=== ∫∫∫

bzw. ausführlich mit:

( ) ( ) ( )12

1

012

1

012 ddd rrErrErrErE

c

rrr

rrr

rrr

rr

−=−=−= ∫∫∫ λλ

( ) ( ) λλλ dd,10:, 12121 rrrrrrrrrr

K

rrrr −=−+=

12 rrrr −

Bild A-15

2.Fall:

- in kartesischen Koordinaten:

• Weg c liegt auf Koordinatenachse (x- y- oder z-Achse)

• Vektor verläuft parallel zu Weg c und ist nicht konstant,

Beispiel: Weg c liegt auf x-Achse:

Er

∫∫ =a

b

x

c

xdxErdE )(r

r

xx exEEr

r

)(=c

a b x

abxexr x ...:,rr =Weg c :

xx exEEr

r

)(=

a b

cx

baxexr x ...:,rr =Weg c :

∫∫ =b

a

x

c

dxxErdE )(r

r

Linienintegral:

Bild A-16

A8 Anhang


3.Fall: in Kugelkoordinaten:

• Weg c liegt auf Ortsvektor

• Vektor verläuft parallel zu Weg c und ist nicht konstantEr

x

y

z

r

c

rr erEEr

r

)(=

21...:, rrrerr r

rr =Weg c :

∫∫ =2

1

)(r

r

r

c

rdrErdEr

r

c

rr

r1

r2

r

Bild A-17

4. Flächenintegrale

Fläche AFläche A

ASASASAS ==⇒ o

rrrr

0cos1. Fall:

Ar

A

Sr

Ar

HomogenesVektorfeld

Sr

Sr

),cos( ASrr

),cos(konstant),cos( ASASASASrrrrrr

=⇒=

Ar

A

Ar S

r

2. Fall:

Bild A-18

Fläche AVektorfeld S

r

iA∆iAr

∆

iAr

∆

)( iAS ∆r

∫∫∑ =∆∆=

→∆∞→

A

n

iii

An

ASAAS

i

rrrr

r

d)(lim1

0

Flächenintegral:

Anhang A9


Flächenintegral, wenn Fläche Aeine geschlossene Hülle H:

∫∫H

ASrr

d H

Bild A-19

ASASA

=∫∫rr

d

Ar

d

ASr

Spezialfall:

• Vektorfeld durchsetzt Fläche A senkrecht

• auf Fläche A ist Betrag von konstant

Sr

Sr

∫∫∫∫ =AA

ASAS ddrr

ASASA

== ∫∫d

dA

24 rA π=ASAS

A

=∫∫rr

d

Fläche A ist Kugeloberfläche

A

Ar

dSr

rdA

rlA π= 2

ASASA

=∫∫rr

d

Fläche A ist Zylindermantel

ASr

rl

Ar

dSr

Bild A-20

Beispiel zur Berechnung eines Flächenintegrals:Aufgabe: Berechnung der Ladung Q auf einer rechteckigen Fläche A

x

y

x1 x2

y1

y2

d xd y

d A

A

geg.: Flächenladungsdichte σ = c x y c = 3 mC/cm4, x1= 1cm, x2= 7cm,y1= 1cm, x2= 5cm

Lösung: differenzielle Ladung dQ im differenziellen Flächenelement dA: dAdQ σ=

∫∫=→A

dAQ σ Flächenintegral

dyx

ycdydxyxcdydxdAQ

x

x

y

y

y

y

x

x

y

y

x

xA

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

12

2

∫∫ ∫∫ ∫∫∫ ==== σσ

mC88422222

21

22

21

22

221

22

21

22

2

1

2

1

=−−=−=−= ∫yyxx

cyxx

cdyxx

ycy

y

y

y

Bild A-21

A10 Anhang


5. Volumenintegral

stetige Verteilung einer Ladung Q über Volumen V

homogen

V

Dichte der Ladung im Raum → Raumladungsdichte ρ:

V

Q=ρ

VQ ρ=

inhomogen

V

V

QV ∆

∆=→∆ 0

limρ

VQV

d∫∫∫= ρ

Volumenintegral Bild A-22

Beispiel zur Berechnung eines Volumenintegrals:Aufgabe: Berechnung der Ladung Q in einem Volumen V

geg.: Raumladungsdichte

c = 2 mC/cm4, x2= 2cm, y2= 3cm, z1= 1cm, z2= 2cm,

Lösung: differenzielle Ladung dQ im differenziellen Flächenelement dV: dVdQ ρ=

∫ ∫ ∫∫ ∫ ∫∫∫∫ +===2

1

2 22

1

2 2

0

22

00 0

)(z

z

y xz

z

y x

V

dydzdxyxz

cdydzdxdVQ ρρ

x

yx2

z

z2

z1

y2

Vd V

)( 22 yxz

c +=ρ

∫∫∫=→V

dVQ ρ Volumenintegral dzdydxdV =

∫ ∫∫ ∫

+=

+=

2

1

22

1

2 2

0

22

32

0 0

23

33

z

z

yz

z

y x

dzdyxyx

z

cdzdyxy

x

z

c

Bild A-23

( )∫∫ +=

+=

2

1

2

1

2

23

223

2

0

2

332

333

z

z

z

z

y

dzxyyxz

cdzx

yy

x

z

c

( ) ( )mC36

ln3

ln3 1

22

322

322

322

32

2

1

=

+=+=

Q

z

zxyyx

czxyyx

c z

z

Bild A-24

Formelübersicht

TUD IEE Prof. Merker

Er

)(tΨI

LΨ=

)(tI)(tHr ∫= rdtHtI umf

rr

)()()()( tHtBrr

µ=AdtBt

A

rr

∫∫=Φ )()(

)(tBr

)(tΦ

)()( twt Φ=Ψ

∑Φ=Ψn

n tt )()(

Adt

BrdE

A

r

r

rr

∫∫∫ ∂∂−= Induktionsgesetz:

mR

wL

2

=

Magnetfelddt

tdU AB

)(Ψ=

Hr

Durchflutungsgesetz:

Er

I Jr EJ

rr

κ=AdJI

A

rr

∫∫=

)(rr

ϕ

∫ ′′=−=2

1

21)()()( 21,

r

r

rr rdrErrU

r

r

rr

rrr

rr ϕϕ

I

UR =

EDrr

ε=

U

Q

UC =Ψ=

AdDQA

rr

∫∫=

stationäres Strömungsfeld elektrostatisches Feld

Dr

Ψ,Q


A

lR

κ=

*

d

AC

ε=*

∫∫∫∫∫ +=A

AAd

dt

DdAdJrdH

r

r

rrr

r

Φ= V

Rm

AdBA

rr

∫∫=ΦHBrr

µ=Br

Φ

21,rrV rr

∫ ′=2

1

21,

r

r

rr rdHV

r

r

rr

rr

A

lRm µ

=*

Magnetfeld

)()( rgradrErr

r

ϕ−=

∫ ′′−ϕ=ϕr

r

rdrErr

r

r

rrr

rr

0

)()()( 0

21,rrU rr

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Elektrische und magnetische Felder - TU Dresden