Elektrotechnik und Kommunikationstechnik - Physikalische Grundlagen

Einleitung

• Dozent: Maulwasser
• Thema: Physikalische Grundlagen der Elektrotechnik
• Video-Inhalte:
  • Elektrische Ladung
  • Elektrostatisches Feld
  • Elektrostatische Kraft
  • Elektrischer Strom und Stromdichte
  • Zusammenfassung und Verständnisfragen

Elektrische Ladung

• Symbol: Q
• Bindung an Materieteilchen: Elektronen (negativ, Elektronenhülle) und Protonen (positiv, Atomkern)
• Ionen:
  • Anion: Überschuss an Elektronen (negativ geladen)
  • Kation: Mangel an Elektronen (positiv geladen)
• Ladungstrennung: Elektronenüberschuss oder -mangel führt zu Konzentration von Ladungsträgern
• Rekombination: Prozess, bei dem zu einem Kation ein Elektron hinzugefügt wird, sodass es elektrisch neutral wird
• Elementarladung: 1,6 x 10^-19 C
• Einheit: Coulomb (C)

Elektrischer Strom

• Definition: Fluss einer Strommenge von 1 Ampere in einer Sekunde entspricht 1 Coulomb
• Elektronenfluss: Ein Ampere entspricht 6,2 x 10^18 Elektronen pro Sekunde
• Einheit: Ampere (A)

Elektrostatisches Feld

• Feldlinien: Veranschaulichen elektrische Kräfte
  • Gehen von positiven zu negativen Ladungen
  • Anziehung bei ungleichen Ladungen, Abstoßung bei gleichen Ladungen
• Darstellung: Superpositionsprinzip zur Visualisierung
• Feldstärke:
  • Abhängigkeit: Quadratisch abnehmend mit Abstand (r) von der Ladung (Q)
  • Formel: E(r) = Q / (4πε0 r^2)
  • Konstante: ε0 = 8,854 x 10^-12 As/Vm
  • Einheit: Volt pro Meter (V/m)
• Vektorielle Formulierung:
  • E = Q / (4πε0 r^2) * (r/|r|)

Elektrostatische Kraft

• Definition: Kraft auf eine Ladung in einem Feld
• Coulomb-Kraft:
  • F = Q2 * E(R)
  • Vektorielle Form: Berücksichtigung von Vorzeichen-Konvention
• Ausschließlich auf geladene Körper: Keine Kraft auf elektrische neutrale Körper im Feld
• Einheit: Newton (N)

Elektrische Stromdichte

• Definition: Elektrischer Strom bezogen auf die Fläche
• Formel: J = I / A
• Berechnung:
  • Anzahl der Elektronen × Elementarladung
  • Beispiel: Bestimmung des Stroms in einem Silberdraht mit spezifischen Abmessungen
• Einheit: Ampere pro Quadratmeter (A/m^2)

Zusammenfassung

• Wichtige Formeln:
  • Elektrostatisches Feld: E = Q / (4πε0 r^2)
  • Elektrostatische Kraft: F = Q2 * E(R)
  • Elektrischer Strom: I = ΔQ / Δt
  • Stromdichte: J = I / A
• Konstanten:
  • Elektrische Feldkonstante: ε0 = 8,854 x 10^-12 As/Vm
  • Elementarladung e = 1,6 x 10^-19 C

Verständnisfragen

1. Was ist der Ursprung elektrisch geladener Körper?
2. Welcher Zusammenhang besteht zwischen elektrischer Ladung und elektrischem Feld?
3. Welche Kraft wirkt auf eine elektrische Ladung in einem elektrischen Feld?
4. Wie entsteht aus einer Ladungsmenge Q ein Strom I?

Abschluss

• Wichtigste Konzepte und Formeln wiederholt
• Einheiten und Konstanten betont
• Verständnisfragen für Selbststudium vorgegeben