Elektrotechnik 1, Prozess- und Anlagentechnik, Thomas Borer, HTW Chur, 2002/03

Lernziele

Allgemein

• einen neuen Sachverhalt erarbeiten und analysieren können.
• Aussagen und Beziehungen in einer Problemstellung als Gleichungen formulieren können.
• ein zur Lösung einer konkreten Problemstellung gehöriges Gleichungssystem aufstellen können.

Gleichstromlehre

• wissen, dass es zwei Arten von elektrischen Ladungen gibt.
• wissen, dass sich gleichnamige Ladungen abstossen und ungleichnamige anziehen.
• wissen, dass jede Ladung ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung ist.
• wissen, dass jede Ladung an ein Teilchen gebunden ist.
  
• wissen, dass ein Elektron eine negative Elementarladung trägt.
• verstehen, was ein elektrischer Strom ist.
• verstehen, wie die elektrische Stromstärke definiert ist.
• wissen, dass die elektrische Stromstärke in Ampère gemessen wird.
• wissen, wie die Richtung eines elektrischen Stromes festgelegt ist.
• wissen, dass in Metallen quasi-freie Elektronen für den Ladungstransport verantwortlich sind.
• wissen, dass sich die freien Elektronen in einem metallischen Leiter ähnlich bewegen wie die Moleküle eines Gases.
• ungefähr wissen, wie gross die Driftgeschwindigkeit der freien Elektronen in einem metallischen Leiter bei einer typischen Stromstärke ist.
• wissen, dass Ladungen und elektrische Ströme nur durch ihre Wirkungen wahrnehmbar sind.
• wissen, dass das Ampère eine der sieben SI-Basiseinheiten ist.
• verstehen, wie das Ampère definiert ist.
• verstehen, dass sich eine physikalische Grösse aus einer Masszahl und einer Masseinheit zusammensetzt.
• geschweifte und eckige Klammern bei der Angabe von Masszahl und Masseinheit einer physikalischen Grösse korrekt anwenden können.
• wissen, dass man eine elektrische Ladung in Coulomb misst.
• verstehen, wie das Coulomb definiert ist.
• eine Vorstellung haben, wieviel ein Coulomb ist.
• das elektrische Potential als "Niveau" verstehen.
• wissen, dass das elektrische Potential ein Mass dafür ist, wieviel Energie ein elektrischer Strom mit sich trägt.
• wissen, dass die elektrische Spannung eine Potentialdifferenz ist.
• wissen, dass eine elektrische Spannung in Volt gemessen wird.
• verstehen, wie das Volt definiert ist.
• verstehen, was eine "Spannungsquelle" ist.
• den Spannungspfeil einer Spannungsquelle im Schaltbild einer elektrischen Schaltung korrekt einzeichnen können.
• verstehen, wie die elektrische Leistung definiert ist.
• den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Leistung kennen.
• den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Leistung in einer konkreten Problemstellung anwenden können.
• den Widerstand eines metallischen Leiters als Reibung der driftenden Elektronen am Atomgitter verstehen.
• verstehen, was die Kennlinie eines Widerstandselementes aussagt.
• wissen, wie der elektrische Widerstand definiert ist.
• wissen, dass der elektrische Widerstand in Ohm gemessen wird.
• aus der Kennlinie eines Widerstandselementes Eigenschaften des elektrischen Widerstandes herauslesen können.
• den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand kennen
• den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand in einer konkreten Problemstellung anwenden können.
• den Wahrheitsgehalt des "Ohm'schen Gesetzes" verstehen.
• wissen, wie der spezifische Widerstand definiert ist.
• wissen, wie der elektrische Leitwert definiert ist.
• wissen, wie die spezifische Leitfähigkeit definiert ist.
• die Beziehungen zwischen Länge, Querschnitt und Widerstand für Widerstands- und Leitwertberechnungen anwenden können.
• wissen, dass der Widerstand eines Leiters temperaturabhängig ist.
• wissen, dass der Widersand von Metallen mit zunehmender Temperatur zunimmt.
• wissen, dass der Widerstand von Halbleitern mit zunehmender Temperatur abnimmt.
• wissen, was man unter Supraleitung versteht.
• verstehen, wie man die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes eines metallischen Leiters durch einen linearen Verlauf annähert.
• wissen, wie der Temperaturkoeffizient definiert ist.
• die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand für Widerstands- und Leitwertberechnungen anwenden können.
• wissen, wie die elektrische Stromdichte definiert ist.
• Bezugsrichtungen von Strömen und Spannungen in Schaltbildern korrekt einzeichnen können.
• den Knotensatz (1. Kirchhoff'sches Gesetz) kennen und verstehen.
• den Maschensatz (2. Kirchhoff'sches Gesetz) kennen und verstehen.
• die Kirchhoff'schen Gesetze und die Ohm'sche Beziehung für Netzwerkberechnungen anwenden können.
• verstehen, was Zweige, Knoten, Äste und Sehnen eines Netzwerkes sind.
• die Methoden "Zweigstromanalyse", "Maschenstromanalyse" und "Knotenspannungsanalyse" bei Netzwerkberechnungen anwenden können.
• verstehen, was ein aktiver Zweipol ist.
• verstehen, was ein passiver Zweipol ist.
• verstehen, was ein Ersatzwiderstand ist.
• den Zusammenhang zwischen dem Ersatzwiderstand zweier seriell geschalteter Widerstände und den einzelnen Widerständen kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem Ersatzwiderstand zweier parallel geschalteter Widerstände und den einzelnen Widerständen kennen und verstehen.
• den Ersatzwiderstand eines Widerstandsnetzwerkes bestimmen können.
• die Schaltung und die Anwendung der Wheatstone Brücke kennen.
• die Spannungsteilerregel verstehen.
• die Stromteilerregel verstehen.
• verstehen, wie Spannungs- und Stromteiler in Messgeräten funktionieren.
• verstehen, wie die Leistungen bei seriell und parallel geschalteten Widerständen auf die einzelnen Widerstände aufgeteilt wird.
• die Spannungsteilung in einer Potentiometerschaltung verstehen.
• verstehen, wie man in einer Potentiometerschaltung das Potentiometer dimensionieren muss, damit der Spannungsverlauf über dem Lastwiderstand möglichst linear wird.
• verstehen, was eine lineare Spannungsquelle ist.
• verstehen, was eine ideale Spannungsquelle ist.
• die Kennlinie einer idealen Spannungsquelle verstehen.
• verstehen, warum es keine idealen Spannungsquellen geben kann.
• verstehen, was eine ideale Stromquelle ist.
• die Kennlinie einer idealen Stromquelle verstehen.
• verstehen, warum es keine idealen Stromquellen geben kann.
• das Ersatzschaltbild einer realen Spannungsquelle kennen.
• die Kennlinie einer realen Spannungsquelle verstehen.
• das Ersatzschaltbild einer realen Stromquelle kennen.
• die Kennlinie einer realen Stromquelle verstehen.
• verstehen, unter welcher Bedingung eine ideale Spannungsquelle und eine ideale Stromquelle zueinander äquivalent sind.
• verstehen, wie die von einer realen Spannungsquelle an einen Lastwiderstand abgegebene Nutzleistung vom Verhältnis des Lastwiderstandes zum inneren Widerstand der Spannungsquelle abhängt.
• für einen an einer realen Spannungsquelle angeschlossenen Lastwiderstand den Verlauf von Nutzleistung, Verlustleistung und Gesamtleistung in Abhängigkeit des Lastwiderstandes auswendig skizzieren können.
• den Begriff "Leistungsanpassung" verstehen.
• wissen, dass für einen an einer realen Spannungsquelle angeschlossenen Lastwiderstand die Nutzleistung dann maximal ist, wenn der Lastwiderstand gleich gross ist wie der Innenwiderstand der Spannungsquelle.
• verstehen, wie der Wirkungsgrad definiert ist.
• verstehen, wie der Wirkungsgrad bei der Leistungsabgabe einer realen Quelle vom Lastwiderstand abhängt.
• verstehen, wie in der Energietechnik und in der Nachrichtentechnik ein an eine reale Quelle angeschlossener Lastwiderstand dimensioniert werden muss.
• die Sätze von Thévenin und Norton kennen.
• den Satz von Thévenin anwenden können, d.h. die Quellenspannung und den Innenwiderstand einer zu einer einfacheren Schaltung gehörigen Ersatzspannungsquelle bestimmen können.
• die äussere Kennlinie einer realen Quelle verstehen.
• verstehen, dass man eine Sternschaltung in eine Dreieckschaltung umwandeln kann und umgekehrt.
• verstehen, was "Äquivalenz" bei Schaltungen bedeutet.
• wissen, dass käufliche Widerstände in Normreihen abgestuft sind.
• die Bezeichnungen für die Widerstands-Normreihen verstehen.
• wissen, dass es einen Farbcode für Widerstandswerte gibt.
• mit Hilfe einer Farbcode-Tabelle den Wert eines Widerstandes bestimmen können.
• wissen, dass die in einem Widerstand umsetzbare Leistung beschränkt ist.

Wechselstromlehre

• verstehen, was eine periodische Funktion ist.
• verstehen, was die Ampitude, Grundperiode, Frequenz und Phase einer sinusförmigen Funktion ist.
• die Amplitude, die Grundperiode und die Frequenz einer Sinus-Funktionn bestimmen können.
• den Grafen einer Sinus-Funktion mit bekannter Ampitude, Frequenz und Phase skizzieren können.
• wissen, wie Wechselstrom erzeugt wird.
• verstehen, was der Effektivwert einer sinusförmigen Grösse ist.
• die Zeigerdarstellung einer harmonischen Grösse verstehen.
• eine harmonische Grösse in einem Zeigerdiagramm darstellen können.
• zwei sinusförmige Grössen mit Hilfe des Zeigerdiagrammes addieren können.
• Sachverhalte über komplexe Zahlen analysieren und beurteilen können.
• eine komplexe Zahl von der einen Darstellungsform in eine andere umwandeln können.
• den Realteil, Imaginärteil, Betrag, das Argument einer komplexen Zahl bestimmen können.
• die Grundoperationen in der Menge der komplexen Zahlen korrekt ausführen können.
• eine komplexe Zahl komplex konjugieren können.
• eine harmonische Funktion als komplexe Exponentialfunktion darstellen können.
• bei einem harmonischen Wechselstrom die Beziehungen zwischen Strom und Spannung bei einen ohm'schen Widerstand, einer Spule, einem Kondensator kennen.
• wissen, wie die Impedanz und die Admittanz eines Bauelementes definiert sind.
• die Impedanz eines ohm'schen Widerstandes, einer Spule, eines Kondensators bei einem harmonischen Wechselstrom kennen.
• verstehen, dass der Knoten- und der Maschensatz auch für komplexe Wechselströme und -spannungen gilt.
• die Impedanz bzw. Admittanz einer RL-Serie-, RC-Serie-, RL-Parallel-, RC-Parallelschaltung bestimmen können.
• die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in einer RL-Serie-, RC-Serie-, RL-Parallel-, RC-Parallelschaltung verstehen.
• die Kirchhoff'schen Gesetze für Wechselstrom-Netzwerk-Berechnungen anwenden können.
• die Zeigerdarstellung von komplexen Wechselströmen und -spannungen bei der Analyse und Berechnung von Wechselstrom-Netzwerken anwenden können.
• die Grössen "Wirkleistung", "Blindleistung" und "Scheinleistung" kennen und verstehen.
• Wirk-, Blind- und Scheinleistungen in einfachen Schaltungen von ohm'schen Widerständen, Spulen und Kondensatoren berechnen können.
• verstehen, was Drehstrom ist.
• wissen, dass in der Praxis Drehstromschaltungen in Form von Stern- und Dreieckschaltungen auftreten.
• die Zusammenhänge zwischen den Polleiter-Nullleiter- und den Polleiter-Polleiter-Spannungen in einer dreiphasigen Drehstromschaltung verstehen.
• Spannungen und Ströme in einer dreiphasigen Drehstromschaltung mit einem Zeigerdiagramm darstellen können.

Elektrostatik

• wissen, dass elektrische Ladungen den sie umgebenden Raum beeinflussen.
• verstehen, was ein Vektorfeld, ein Skalarfeld ist.
• wissen, was ein homogenes, inhomogenes Feld ist.
• verstehen, was ein Strömungsfeld ist.
• den Zusammenhang zwischen dem durch eine Fläche fliessenden Strom und der Stromdichte verstehen.
• verstehen, was Feldlinien, Äquipotentiallinien sind.
• verstehen, dass Feldlinien und Äquipotentiallinien senkrecht aufeinander stehen.
• wissen, wie die elektrische Feldstärke definiert ist.
• die elektrische Feldstärke als ladungsunabhängige Beschreibung des elektrischen Feldes verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldstärke und der elektrischen Spannung in einem homogenen elektrischen Feld kennen und anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldstärke und der Stromdichte kennen und anwenden können.
• verstehen, was eine Probeladung ist.
• den Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldstärke und der Kraft auf eine Probeladung kennen und anwenden können.
• verstehen, was Influenz ist.
• wissen, wie die dielektrische Verschiebungsdichte definiert ist.
• den Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldstärke und der dielektrischen Verschiebungsdichte im Vakuum kennen.
• das Feldlinienbild einer Punktladung kennen.
• die analytischen Ausdrücke der Feldstärke und des Potentials für das elektrostatische Feld einer Punktladung kennen und anwenden können.
• wissen, dass das elektrostatische Feld mehrerer Punktladungen eine Überlagerung der Felder der einzelnen Punktladungen ist.
• die Feldlinienbilder einfacher Ladungs- und Elektrodenanordnungen kennen und verstehen.
• verstehen, was ein Kondensator ist.
• wissen, was ein Dielektrikum ist.
• wissen, wie das Einfügen eines Dielektrikums in einen Plattenkondensator die elektrische Feldstärke und die dielektrische Verschiebungsdichte beeinflusst.
• verstehen, warum ein Dielektrikum die elektrische Feldstärke in einem Kondensator bei gleich bleibender gespeicherter Ladung abschwächt.
• den Unterschied zwischen der relativen und der absoluten Dielektrizitätskonstante kennen.
• den Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldstärke und der dielektrischen Verschiebungsdichte in einem Dielektrikum kennen.
• das Verhalten von elektrischer Feldstärke und dielektrischer Verschiebungsdichte in geschichteten Dielektrika kennen.
• einen Kondensator als Ladungsspeicher verstehen.
• wissen, wie die Kapazität eines Kondensators definiert ist.
• die physikalische Einheit der Kapazität kennen.
• den Zusammenhang zwischen angelegter Spannung, gespeicherter Ladungsmenge und Kapazität eines Kondensators auswendig kennen und anwenden können.
• verstehen, wie man einen Kondensator dimensionieren muss, damit dessen Kapazität möglichst gross wird.
• einige Bauformen von Kondensatoren kennen.
• für einen Plattenkondensator die Beziehung zwischen Fläche, Abstand, Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums und Kapazität des Kondensators auswendig kennen und anwenden können.
• Formeln zur Berechung von Kapazitäten anwenden können.
• verstehen, was eine Ersatzkapazität ist.
• den Zusammenhang zwischen der Ersatzkapazität zweier seriell geschalteter Kondensatoren und den einzelnen Kapazitäten kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der Ersatzkapazität zweier parallel geschalteter Kondensatoren und den einzelnen Kapazitäten kennen und verstehen.
• die kapazitive Spannungsteilerregel verstehen und anwenden können.
• verstehen, dass man Kondensatoren mit geschichteten Dielektrika als Serie- bzw. Parallelschaltungen von Kondensatoren auffassen kann.
• Problemstellungen zu Kondensatoren mit geschichteten Dielektrika analysieren und lösen können.
• das Bilanzgesetz für Ladungen bei Kondensator-Netzwerken kennen, verstehen und anwenden können.
• ein einfacheres Netzwerk mit Kondensatoren und Widerständen analysieren können.
• wissen, was ein Mehrleitersystem ist.
• verstehen, was eine Teilkapazität eines Mehrleitersystems ist.
• das Ersatzschaltbild eines Mehrleitersystems verstehen.
• Beispiele von Mehrleitersystemen in der Technik kennen.
• verstehen, dass Freileitungen sich gegenseitig kapazitiv beeinflussen können.
• wissen, dass und wie man das elektrische Feld abschirmen kann.
• einen Kondensator als Energiespeicher verstehen.
• wissen, dass die im Kondensator gespeicherte Energie im elektrostatischen Feld steckt.
• für einen Kondensator den Zusammenhang zwischen angelegter Spannung, gespeicherter Ladungsmenge, Kapazität und im elektrischen Feld gespeicherter Energie verstehen und anwenden können.
• wissen, wie die spezifische Feldenergie definiert ist.
• wissen, dass elektrisch geladene Körper aufeinander Kräfte ausüben.
• den Zusammenhang zwischen den elektrischen Ladungen zweier punktförmiger, geladener Teilchen, deren Abstand und der auf sie gegenseitig wirkenden Kraft auswendig kennen und anwenden können.
• die elektrostatische Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen bestimmen können.
• Problemstellungen mit Hilfe der elektrostatischen Kraft lösen können.
• wissen, dass sich die beiden Platten eines geladenen Plattenkondensators gegenseitig anziehen.
• verstehen, wie man mit der Spannungswaage von Thomson die an einem Plattenkondensator angelegte Spannung messen kann.
• wissen, was man unter der Spiegelbildkraft versteht.
• wissen, wie man mit dem elektrolytischen Trog die Äquipotentiallinien eines zweidimensionalen elektrostatischen Feldes ausmessen kann.
• einige Kenngrössen von Kondensatoren kennen.
• einige Bautypen von Kondensatoren kennen.

Magnetismus

• verstehen, dass durch bewegte elektrische Ladungen verursachte Kraftwirkungen nicht rein elektrisch erklärbar sind.
• wissen, dass bewegte elektrische Ladungen Ursache sowohl eines elektrischen als auch eines magnetischen Feldes sind.
• die Wechselwirkung zwischen bewegten elektrischen Ladungen als magnetischen Effekt verstehen.
• das magnetische Feldlinienbild eines stromdurchflossenen geraden Leiters kennen.
• das magnetische Feldlinienbild eines Stabmagneten kennen.
• das magnetische Feldlinienbild der Erde kennen.
• das Modell der Elementarmagnete kennen.
• wissen, dass sich magnetische Nord- und Südpole nicht trennen lassen.
• wissen, dass magnetische Feldlinien geschlossene Kurven sind.
• das Überlagerungsgesetz für das magnetische Feld kennen und anwenden können.
• das magnetische Feldlinienbild einer stromdurchflossenen, zylindrischen Spule verstehen.
• die Rechte-Hand-Regel zur Bestimmung der Orientierung magnetischer Feldlinien und der Lage von magnetischen Nord- und Südpolen kennen und anwenden können.
• die magnetische Feldstärke in der Umgebung von einfachen stromdurchflossenen Leitern bestimmen können.
• wissen, dass in einem relativ zu einem Magnetfeld bewegten Leiter ein elektrischer Strom induziert wird.
• die Grösse "magnetische Induktion" als Mass für die Stärke des magnetischen Feldes verstehen.
• wissen, dass die magnetische Induktion in Tesla gemessen wird.
• den Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke und der magnetischen Induktion im Vakuum und Materie kennen.
• die elektrische Feldstärke als Mass für die Ursache und die magnetische Induktion als Mass für die Wirkung des magnetischen Feldes verstehen.
• wissen, wie der magnetische Fluss definiert ist.
• wissen, dass der magnetische Fluss in Weber gemessen wird.
• den magnetischen Fluss eines homogenen Magnetfeldes durch eine einfache ebene Fläche bestimmen können.
• bei einer Spule den Unterschied zwischen dem Winden- und dem Spulenfluss verstehen.
• den Wertebereich der relativen Permeabilität für para-, dia- und ferromagnetische Stoffe kennen.
• wissen, dass die magnetischen Eigenschaften eines Stoffes in atomaren Kreisströmen und im Elektronenspin begründet sind.
• einige ferromagnetische Stoffe kennen.
• die Begriffe "Weiss'sche Bezirke" und "Curie-Temperatur" erklären können.
• die Magnetisierungskennlinie eines ferromagnetischen Stoffes verstehen und anwenden können.
• den Unterschied zwischen harten und weichen Magneten anhand der Magnetisierungskennlinie erklären können.
• das Durchflutungsgesetz auswendig kennen.
• das Durchflutungsgesetz für einfache Anordnungen anwenden können.
• auf Grund des Durchflutungsgesetzes verstehen, dass das Magnetfeld eines Koaxialkabels vollständig im Innern des Kabels verläuft.
• wissen, was ein magnetischer Kreis ist.
• einige Einsatzbeispiele von magnetischen Kreisen kennen.
• bei einem magnetischen Kreis den Zusammenhang zwischen der Durchflutung und der magnetischen Induktion im Luftspalt verstehen.
• bei einfacheren magnetischen Kreisen aus der magnetischen Induktion im Luftspalt die Durchflutung bestimmen können und umgekehrt.
• verstehen, was die Luftspaltgerade bedeutet.
• das Ohm'sche Gesetz des magnetischen Kreises als Analogie zum Ohm'schen Gesetz in der Gleichstromlehre verstehen.
• wissen, dass auf eine bewegte elektrische Ladung in einem Magnetfeld eine Kraft wirkt.
• das mathematische Modell für die Lorentz-Kraft auswendig kennen und anwenden können.
• verstehen, dass auf Grund der Lorentz-Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft wirkt.
• die mathematische Beziehung für die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld anwenden können.
• die Funktionsweise eines Drehspulinstrumentes verstehen.
• wissen, dass die auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkende Kraft in Richtung abnehmender magnetischer Feldstärke zeigt.
• eine in einem Leiter induzierte elektrische Spannung mit Hilfe der Lorentz-Kraft erklären können.
• die in einem Leiterstück induzierte Spannung berechnen können.
• die Lenz'sche Regel verstehen und anwenden können.
• das Induktionsgesetz, d.h. den Zusammenhang zwischen der in einer Leiterschleife induzierten Spannung und dem magnetischen Fluss durch die Schleife kennen und anwenden können.
• das erweiterte Kirchhoff'sche Gesetz kennen und anwenden können.

Home