Vorlesung: Elektrotechnik in Kommunikationstechnik

Physikalische Grundlagen zur Elektrotechnik (Teil 2)

Überblick

• Dozent: Jürgen Faulwasser
• Inhalt: Physikalische Grundlagen der Elektrotechnik
• Themen:
  • Elektrische Arbeit
  • Elektrische Spannung
  • Elektrische Potenziale und potentielle Differenzen
  • Elektrische Energie im Gleichstromkreis
  • Elektrische Leistung im Gleichstromkreis
  • Zusammenfassung und Verständnisfragen

Rückblick letzte Woche

• Verhalten freier Ladungsträger im elektrischen Feld
• Elektrostatische Kraft und Stromfluss
• Aufrechterhaltung des elektrischen Feldes durch Arbeit zur Ladungstrennung

Elektrische Arbeit

• Definiert als Kraft mal Weg
• Arbeit nötig für Transport von Ladung gegen elektrische Kraft
• Im homogenen elektrischen Feld: Feldlinien parallel und gleichmäßig dicht
  • Beispiel: Verschiebung einer negativen Ladung von Position D2 zu D1
  • Formel: W = F * D21
• Wichtig: Homogenes elektrisches Feld bedeutet gleiche Feldstärke überall
• Allg. Formulierung: W = ∫ F * ds von P1 zu P2

Elektrische Spannung

• Spannung entsteht durch Transport von Ladung gegen die Feldlinien
• Spannung U = W/Q (Arbeit pro Ladung)
• Einheit: Volt (V)
• Homogenes Feld: U = E * D21, wobei E die Feldstärke ist
• Korrespondiert zur Arbeit gegen die Kraftwirkung
• Beispiele: Steckdosen (220V), historische Experimente*

Elektrische Potenziale

• Potenzial eines Punktes: Arbeit nötig, um Ladung zu bewegen
• Elektrisches Potenzial = Fähigkeit, Arbeit zu verrichten
• Formel: Potenzial = -E * D
• Potenzialdifferenz = Ursache für Spannung
• Zusammenhang mit mechanischen Potenzialen (z.B. potenzielle Energie = mgh)*

Elektrische Energie im Gleichstromkreis

• Elektrische Energie = Geleistete Arbeit
• Formel: E = U * I * t
• Einheit: Wattsekunde (Ws) oder Joule (J)
• Elektrische Energie entspricht oft Stromrechnung (kWh)

Elektrische Leistung im Gleichstromkreis

• Leistung ist Arbeit pro Zeit: P = W / t
• Elektrische Leistung: P = U * I
• Einheit: Watt (W)
• Beispiele: Handy-Ladegerät (10V, 100mA = 1W), Kochplatte (1000W = 1kWh)*

Einheiten und Umrechnungen

• Elektrische Ladung: Coulomb (C)
• Elektrisches Feld: Volt pro Meter (V/m)
• Arbeit/Energie: Joule (J), Newtonmeter (Nm), Wattsekunde (Ws)
• Leistung: Watt (W)
• Strom: Ampere (A)
• Spannung: Volt (V)
• Weitere Einheiten: 1Ws = 1Nm = 1J

Analogie zum Gravitationsfeld

• Stärke des elektrischen Feldes ~ Masse im Gravitationsfeld
• Elektrostatische Kraft ~ Gravitationskraft (proportional zu Q1Q2/r² bzw. m1m2/R²)
• Elektrisches Potenzial ~ Gravitationspotenzial (mgh)
• Elektrische Spannung ~ Potenzialdifferenz im Gravitationsfeld

Verständnisfragen zum Selbststudium

1. Welche Arbeit muss aufgebracht werden, um eine Ladung in einem elektrischen Feld um eine Strecke zu bewegen?
2. Welche Spannung besteht zwischen zwei Punkten im elektrostatischen Feld?
3. Wie ist die elektrische Leistung definiert?
4. Welcher Zusammenhang besteht zwischen elektrischer Leistung und elektrischer Energie?

Ende der Vorlesung

• Dozent: Jürgen Faulwasser
• Begrüßt Fragen in der nächsten Vorlesung