Vorlesung Elektrizität und Magnetismus und... · Prof. Dr. habil. Gabriele Schrag Lehrstuhl für Technische Elektrophysik TUM Sommersemester 2019 Elektrizität und Magnetismus Vorlesung

Prof. Dr. habil. Gabriele Schrag

Lehrstuhl für Technische Elektrophysik TUM

Sommersemester 2019

Elektrizität und Magnetismus

Vorlesung

Elektrizität und Magnetismus, Prof. Dr. Gabriele Schrag 1

2Elektrizität und Magnetismus, Prof. Dr. Gabriele Schrag

Einordnung der Vorlesung

Elektrizität und Magnetismus (EuM; 2. Semester, Prof. Schrag)

Elektromagn. Feldtheorie (EMF, 3. Semester, Prof. Eibert)

Bilden die theoretischen elektrophysikalischen Grundlagen für weiterführende Vorlesungen im Bachelor‐ und Masterstudium EI

Link zwischen "Teilchenbeschreibung " (Physik) und Schaltungstheorie, Leistungsbauelemente und deren Schaltungen, Mikrosysteme (z.B. Sensoren), Energietechnik, Signalübertragung, …


Organisation der Vorlesung

Elektrizität und Magnetismus (EuM; 2. Semester, Prof. Schrag)

3 Veranstaltungen:

Vorlesung: theoretische Grundlagen, unterstützt durch Beispiele; grundlegender Inhalt im Vorlesungsskript

Vortragsübungen: Lösung beispielhafter Problemstellungen zu Themen der Vorlesung; Prüfungsaufgaben und Kurzfragen

Tutorübungen: eigenständiges Rechnen von Aufgaben unter Anleitung von studentischen Tutoren in Kleingruppen


Dozentin:Prof. Dr. Gabriele Schrag (Lehrstuhl für TechnischeElektrophysikemail: [email protected]: 14:00; 3 Vorlesungsstunden; Hörsaal 1200

Plenarübungen:Benedikt Lechner (Lehrstuhl für Technische Elektrophysik)email: [email protected], 13:15, 2 Semesterwochenstunden, HS 1200

Tutorübungen: Organisation durch Frau Waschriporn Ampunant(Lehrstuhl für Technische Elektrophysik)email: [email protected]


Materialien:

Vorlesung und Plenarübungen sowie Sammlung vonPrüfungsaufgaben sind als Skript in der Fachschaft erhältlich

Grundlegende Inhalte sind im Vorlesungsskript enthalten;Übungsblätter und Zusatzmaterial unter "LehrveranstaltungenSommersemester ‐> EuM" auf der Homepage des Lehrstuhls:

www.tep.ei.tum.de/

Zur Prüfungsvorbereitung: Gegen Ende der Vorlesung werdenexemplarische Prüfungsaufgaben in den Plenarübungen undden Tutorien gerechnet. Es gibt eine Fragestunde (Hr. Lechner)

Prüfungssammlung mit Lösungen in der Fachschaft erhältlich


Tutorübungen:

Organisation durch Frau Ampunant

10 Gruppen, Räume und Termine in TUMonline

Anmeldung über Tumonline. Es ist möglich, zwischen denTerminen zu wechseln. ABER: Bitte gleichmäßig auf Gruppenverteilen

Übungsblätter eine Woche vorher auf Homepage desLehrstuhls, Lösung am Ende der Woche hochgeladen

Termin‐ und Raumänderungen sowie aktuelle Teilnehmer‐zahlen pro Übungsstunde auf Homepage veröffentlicht


Hinweise zur Prüfung:

Erstklausur: 29.7.2019, Wiederholungsklausur 30.9.2019

Prüfungsdauer: 90 Minuten

Prüfung besteht aus Kurzfragen, die meist mit einer Formel oder einer kurzen Rechnung beantwortet werden sollen, und drei Rechenaufgaben

Achtung: Ergebnisse ohne Begründung werden nicht gewertet; Lösungsweg muss ersichtlich sein; Rechnungen müssen schlüssig folgen (wir berücksichtigen auch Folgefehler, nicht nur das Endergebnis)

Hilfsmittel: mathematische Formelsammlung ohne Einträge

(s. Ankündigungen auf Homepage und in Vorlesung/Übung)


Weiterführende Literatur:

Buch zur Vorlesung:E. Purcell Elektrizität und Magnetismus

Berkeley Physik Kurs 2

M. Pregla Grundlagen der Elektrotechnik

D. J. Griffiths Introduction to Electrodynamics

J.D. Jackson Classical Electricity and Magnetism

Vieweg, 4. Auflage 1989amerikanische Originalausgabe: „Electricity and Magnetism“ , Cambridge University Press, 3rd edition, 2013

Hüthig Verlag, 8. Auflage, 2010

M. Albach Grundlagen der ElektrotechnikPearson Studium Verlage, 2011

Benjamin Cummings, 3rd edition, 1999

Wiley & Sons, 3rd edition, 1998


Inhalte der Vorlesung: Grundlagen in …

Elektrischer Strom = bewegte Ladungen

Ladung Elektrisches Feld

Elektro‐magnetismus

+Elektrizität

Magnetismus Strom Magnetfeld

Wie entstehen elektrische Felder?

Wie entstehen Magnetfelder?


Inhalt der VorlesungGliederung in vier Hauptkapitel:

1) Elektrostatik: Wie werden elektrische Felder generiert? Wie kann man sie berechnen?

2) Stationäre Ströme: Was passiert, wenn Ladungen sich bewegen? (Link zur Schaltungstheorie, Grundlage der Kirchhoff'schenGesetze)

3) Magnetostatik: Wie werden magnetische Felder erzeugt? Wie berechnet man sie? Welche Phänomene treten auf?

4) Magnetische Induktion: Was passiert bei zeitveränderlichen Prozessen im Magetfeld? Link zu EMF (3. Semester)


Ihre "Freunde" für EuM (1):

Mathematik:

Es ist gut, folgende mathematischen Grundlagen zu beherrschen:

• Vektoren und Vektorfelder

• Gradient, Divergenz, Rotation

• Integration entlang von Kurven und im mehrdimensionalen Raum (Volumen‐, Oberflächenintegrale) in skalaren und Vektorfeldern

• Koordinatensysteme: Kartesische, Zylinder‐ und Kugel‐koordinaten


Mathematische Grundlagen: Einige mathematische Grundlagen der Vorlesung werden in

Analysis 2 gelehrt; Vorlesung läuft parallel zu EuM, d.h. nichtimmer sind diese Grundlagen schon ausführlich behandelt.

Im Anhang des Skripts: Mathematische Grundlagenenthalten

Mathematischer "Steilkurs", wenn Methoden benötigtwerden, d.h. problemangepasste Einführung undAnwendung auf praktische Probleme (keine Beweise!).

Keine detaillierte mathematische Ableitungen oder Beweise


Ergänzende Literatur zur Mathematik:

G. Strassacker Rotation, Divergenz und Gradient

S. Großmann Mathematischer Einführungskurs für die Physik

D. E. Bourne, P. C. Kendall Vector Analysis and Cartesian Tensors

… und weiterführendes Buch zur Vektoranalysis

Springer Verlag, 7. Auflage, 2015


K. Meyberg, P. Vachenauer Höhere Mathematik 1


R. Ansorge, H.J. Oberle Mathematik für Ingenieure

Wiley-VHC, 4. Auflage, 2010

CRC Press, 3rd edition, 1992


Mathematische Formelsammlungen:(erlaubt als Hilfsmittel in der Prüfung)

Bronstein, K. Semendjajew Taschenbuch der Mathematik

L. Răde, B. Westergren Springers Mathematische Formeln

L. Papula Mathematische Formelsammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler


Physik:

EuM ist "Elektrophysik", also eine Unterdisziplin der Physik.

Wir benötigen:

• Kraft, Impuls, Drehmoment

• Energie, Arbeit, Potential, Leistung

• Fluss‐ und Energieerhaltung

Vieles davon ist Basiswissen aus Schule; wird vertieft in Physik‐vorlesung und im Kontext von EuM wiederholt.

Ihre "Freunde" für EuM (2):


Anwendungen – Warum ist E&M nützlich und notwendig für Elektroingenieure?

1) Elektrostatische Phänomene sind allgegenwärtig

Elektrostatische Entladungen, Blitze in Gewittern, Elektronen, Atome, Festkörperphysik ( Metalle, Halbleiter,…)

2) Technische Anwendungen:

Elektromotoren und elektrische Antriebe

Energieerzeugung und –konvertierung, Kraftwerke, Energieübertragung, Transformatoren

Bauelementephysik, Halbleiterbauelemente, Leistungsbauelemente

Sensoren (elektromechanische Energiewandlung)


Elektrostatische Entladungen – Gewitter in der Natur und im integrierten Schaltkreis


Design von integrierten Schaltkreisen – elektromagnetisches Übersprechen, Design der Verdrahtung, wieviel Strom darf fließen (Robustheit gegen Überspannung und Wärmeentwicklung)


Entwurf und Dimensionierung von Leistungsbauelementen: Energieübertragung, E‐Mobility, erneuerbare Energien…


Entwurf und Dimensionierung von Leistungsbauelementen: Energieübertragung, E‐Mobility, erneuerbare Energien…

Anwendung: Leistungsbauelemente


Beispiel für Sensorik: Siliziummikrofon – aus dem Handy nicht mehr wegzudenken

Infineon Technologies AG


Beispiel für Aktorik: Mikropumpe für Dosierung kleinster Flüssigkeits‐mengen (z.B. medizinische oder "Lab on chip"‐ Anwendungen)

Anwendung: hochgenaues Dosieren kleinster Flüssigkeitsmengen(z.B. Mikropipette, "Lab-on-Chip",…)

Fluid

Ventile

Luftspalt

Membran Gegenelektrode

Schläuche (Ein-/Auslass)

Schematische Darstellung

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