Elektrizität/Magnetismus (IEM-E), Systemtechnik NTB, HTW Chur, Thomas Borer, 2018/19

Lernziele

Allgemein

• eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten können.
• eine bekannte oder neue Problemstellung selbstständig bearbeiten und in einer Gruppe diskutieren können.
• sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse und Fähigkeiten erarbeiten können.
• einen bekannten oder neuen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form darstellen und zusammenfassen können.
• Lösungswege vollständig, übersichtlich und verständlich dokumentieren können.
• physikalische Gesetze in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• Aussagen und Beziehungen zwischen Grössen mit Hilfe physikalischer Grundgesetze als Gleichungen formulieren können.
• die Vollständigkeit eines Gleichungssystems beurteilen können.
• eine einfachere Überschlagsrechnung ausführen können.
• einen experimentellen Aufbau skizzieren können.
• experimentelle Beobachtungen mit eigenen Worten beschreiben können.
• aus einem Experiment neue Erkenntnisse gewinnen können.
• einige physikalische Grundgesetze auswendig kennen: "Formeln im Kopf", siehe Moodle NTB

1. Elektrische Ladung / Coulombkraft / Elektrisches Feld

• wissen, dass Ladung quantisiert ist, was man unter Ladungserhaltung versteht und aus welchen Sorten geladener Teilchen Materie aufgebaut ist.
• den Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern kennen.
• das Coulomb'sche Gesetz kennen und Kräfte auf Ladungen berechnen können.
• wissen, was man unter dem elektrischen Feld versteht, und die wichtigsten Eigenschaften von Feldlinien kennen.
• Feldlinienbilder einfacher Ladungskonfigurationen skizzieren und Feldlinienbilder interpretieren können.

2. E-Feld diskreter und kontinuierlicher Ladungsverteilungen

• wissen, was man unter einem elektrischen Dipol versteht, und das Dipolfeld entlang der Dipolachse berechnen können.
• den Unterschied zwischen permanentem und induziertem Dipolmoment kennen.
• wissen, wie sich Dipole in homogenen und inhomogenen elektrischen Feldern verhalten.
• die wichtigsten Konzepte zur Berechnung der Felder kontinuierlicher Ladungsverteilungen kennen.
• E-Felder diskreter und kontinuierlicher Ladungsverteilungen berechnen können.

3. Das elektrische Potential und die elektrische Spannung

• wissen, wie das elektrische Potential definiert ist und wie das Potential aus dem elektrischen Feld berechnet werden kann.
• die potentielle Energie einer Ladung im Potentialfeld berechnen können.
• am Beispiel der Punktladung den Potentialverlauf, den Begriff Äquipotentiallinie (Äquipotentialfläche) und den Zusammenhang zwischen Feldlinien und Potentiallinien erläutern können.
• das Potential diskreter und kontinuierlicher Ladungsverteilungen berechnen können.
• wissen, wie die elektrische Spannung definiert ist und wie sie mit dem Potential und dem elektrischen Feld zusammenhängt.
• Methoden zur Messung der kinetischen Energie geladener Teilchen kennen.

4. Influenz

• wissen, was man unter Influenz versteht, verschiedene Influenzerscheinungen kennen und den Versuch mit den Mie'schen Platten erläutern können.
• den Feldverlauf in Leitern und Hohlleitern kennen und diesen anschaulich erklären können.
• das Prinzip des Faradaykäfigs erklären können und wissen, wie ein Van-de-Graaff-Generator funktioniert.
• die Idee der Spiegelkraft erklären können.
• das Influenzgesetz kennen.
• die Feldstärke an der Oberfläche eines geladenen Leiters berechnen können.

5. E-Feld-Berechnungen mit dem Satz von Gauss

• wissen, wie der elektrische Fluss definiert ist.
• den Satz von Gauss kennen und wissen, wie man damit elektrische Felder symmetrischer Ladungsverteilungen berechnen kann.
• wissen, welche Gauss'schen Hüllflächen gewählt werden müssen, um das elektrische Feld ebener, zylindersymmetrischer oder rotationssymmetrischer Ladungsverteilungen zu berechnen.
• Feldverläufe symmetrischer Ladungsverteilungen mit Hilfe des Gauss'schen Satzes berechnen können.

6. Kapazität und elektrische Feldenergie

• wissen, wie die Kapazität definiert ist und wie man systematisch bei der Berechnung von Kapazitäten vorgeht.
• die Kapazitäten von Plattenkondensator, Zylinderkondensator und Kugelkondensator berechnen können.
• erklären können, wie sich die Kapazität des Plattenkondensators ändert, wenn der Plattenabstand bei angeschlossener bzw. abgehängter Spannungsquelle variiert wird.
• den Unterschied zwischen positiver und negativer Koronaentladung kennen, und Beispiele dafür angeben können.
• die Energie zum Laden eines Kondensators sowie die Energiedichte des elektrischen Feldes berechnen können.
• wissen, wie sich E-Felder in mit Dielektrika gefüllten Kondensatoren bei angeschlossener bzw. abgehängter Spannungsquelle verhalten.
• erklären können, warum es in Dielektrika zur Ausbildung von Oberflächenladungen kommt und wie diese mit der freien Ladungsdichte auf den Kondensatorplatten zusammenhängen.

7. Das Magnetfeld und seine Wirkungen 1

• den Begriff des Magnetfeldes kennen, den Feldlinienverlauf von Stabmagneten und einfachen Leiteranordnungen skizzieren und vorgegebene Feldlinienverläufe richtig interpretieren können.
• wissen, was bei Magnetfeldern und elektrischen Feldern gleichartig und was verschiedenartig ist.
• die Definition der magnetischen Flussdichte und deren SI-Einheit kennen.
• die magnetische Kraft (Lorentzkraft) kennen und die Formel dafür angeben und erklären können.
• die Formel für die Kraft auf einen stromführenden geraden Leiter im Magnetfeld kennen und erklären können, wie diese Kraft zustande kommt.
• die Formel für die Lorentzkraft zur Berechnung der Bewegung von Punktladungen in Magnetfeldern anwenden können.

8. Das Magnetfeld und seine Wirkungen 2

• erklären können, wie das Drehmoment zustande kommt, das eine rechteckige stromführende Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld erfährt.
• die Definition des magnetischen Momentes der Leiterschleife und den Zusammenhang zwischen magnetischem Moment und Drehmoment in einem Magnetfeld kennen.
• das Funktionsprinzip von Drehspulinstrumenten erklären.
• den Halleffekt erklären und die Formel für die Hallspannung ableiten können.
• Anwendungsbeispiele für den Einsatz von Hallsonden in der Praxis kennen.
• die Hallkonstante kennen, und wissen, welche Informationen sie über das Sondenmaterial enthält.

9. Das Magnetfeld von Strömen 1

• wissen, wie Magnetfelder erzeugt werden können.
• den Unterschied zwischen magnetischer Flussdichte und magnetischer Feldstärke kennen.
• die magnetische Feldkonstante kennen, und wissen, wie sie bezeichnet wird, welche SI-Einheit sie hat und wie gross ihr Zahlenwert in SI-Einheiten ist.
• das Durchflutungsgesetz formulieren und inhaltlich erläutern können.
• das Durchflutungsgesetz auf einfache (symmetrische) Leiterkonfigurationen anwenden können, um damit das Magnetfeld zu berechnen, das von diesen stromführenden Leitern erzeugt wird.

10. Das Magnetfeld von Strömen 2

• die Formel für das Magnetfeld kennen, das von einer bewegten Punktladung erzeugt wird, und zur Berechnung anwenden können.
• das Gesetz von Biot-Savart kennen und es zur Berechnung des Magnetfeldes von Strömen in einfachen Leiterkonfigurationen anwenden können.
• das Zustandekommen der Kraft zwischen zwei parallelen Strömen qualitativ beschreiben und die Grösse der Kraft berechnen können.

11. Die magnetische Induktion 1

• wissen, was man unter dem magnetischen Fluss versteht.
• das Induktionsgesetz in seiner differentiellen Form formulieren, inhaltlich erläutern und typische Induktionsphänomene damit erklären können.
• die Lenz'sche Regel erklären und an einfachen Beispielen illustrieren können.
• am Beispiel einer "Leiterschlaufe mit beweglichem Bügel in einem homogenen Magnetfeld" die bei der Bewegung des Bügels induzierte Spannung ableiten, den resultierenden Strom berechnen und die auf diesen stromführenden Bügel vom Magnetfeld ausgeübte Kraft mit Betrag und Richtung bestimmen können.
• das Prinzip des elektrischen Generators kennen und dieses Prinzip am Beispiel einer Rechteckspule, die in einem homogenen Magnetfeld gedreht wird, erklären können.

12. Die magnetische Induktion 2

• das Prinzip des elektrischen Transformators kennen und es am Beispiel zweier koaxialer Zylinderspulen erklären können.
• das Phänomen der Selbstinduktion kennen, und die Selbstinduktionsspannung einer Spule berechnen können.
• wissen, was die Induktivität einer Spule ist, welche SI-Einheit sie hat und wie sich eine Induktivität auf das Verhalten einer elektrischen Schaltung auswirkt.
• die Energie bzw. Energiedichte eines Magnetfeldes berechnen können.
• die vier Maxwellgleichungen in integraler Form kennen.

13. Magnetismus in Materie

• die Ursache für den Magnetismus in Materie kennen.
• die Grundbegriffe zur Beschreibung des Verhaltens von Materie im Magnetfeld und deren Zusammenhang kennen: Permeabilität, Magnetisierung und Suszeptibilität.
• die drei Grundtypen magnetischen Verhaltens kennen, die bei festen Stoffen vorkommen können, diese Verhaltensweisen beschreiben sowie die Ursache für dieses Verhalten erklären können.
• das Hysteresephänomen bei Ferromagneten beschreiben und seine Ursache erklären können.
• wissen, wie ein Elektromagnet funktioniert.

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