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Heinrich-Emanuel-Merck-Schule Darmstadt

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Fachoberschule Form A

Elektrotechnik in den Klassen der Form A der Fachoberschule

Schülerinnen und Schüler, die eine Fachoberschule der Form A mit dem Schwer­punkt »Elektrotechnik« besuchen, haben in der Regel weder theoretische noch praktische Kenntnisse der Elektrotechnik. Was die Grundlagen der Elektrotechnik anbelangt, kann allenfalls angenommen werden, daß im Physikunterricht der Realschule die Begriffe Strom, Spannung, Widerstand und das Ohmsche Gesetz behandelt worden sind.

Auf diesen Voraussetzungen baut das folgende Unterrichtskonzept für die Fom A der Fach­ober­schule auf. Durch teilweise intensive Wiederholungen insbesondere mathematischer Themen und ergänzende Vertiefungen sollen Unterschiede in den Voraussetzungen weitgehend kompensiert werden.

Dieses Unterrichtskonzept können Sie sich hier als pdf-Datei (40 kB) herunter­laden. Aufgrund der vom hessischen Kultusministerium zum 1.8.2006 verfügten Lehrplanänderung (vgl. dazu die neuen Lehrpläne auf dem Bildungsserver Hessen) bedarf es der schrittweisen Überarbeitung. Der jeweils aktuelle Stand wird zu gegebener Zeit hier dokumentiert.

 

Didaktische Vorbemerkung

In der folgenden thematischen Kurzdarstellung einiger Lehrgänge soll stichwortartig das derzeit an der Fachoberschule der Heinrich-Emanuel-Merck-Schule praktizierte didaktische Strukturkonzept des Schwerpunktfaches »Elektrotechnik« skizziert werden. Es wurde entwickelt auf der Grundlage des von der zuständigen Fachkonferenz im Jahre 2008 modifizierten Kurs­struk­tur­planes für die schwerpunktbezogenen Fächer der Fach­oberschule und ist darüberhinaus Bestandteil des Schulprogramms der Heinrich-Emanuel-Merck-Schule.

Im Hinblick auf die Verknüpfung von allgemeiner und beruflicher Bildung handelt es sich um ein integriertes Konzept, das sowohl in den Organisationsformen A und B der Fachoberschule als auch mit einigen unwesentlichen Änderungen in der Grundstufe der Berufsschule mehrere Jahre erprobt und weiterentwickelt wurde. Insofern ist es seiner didaktischen Intention nach schulformunabhängig, kann also immer dort Anwendung finden, wo es um die Vermittlung der Grundlagen der Elektro­technik geht.

Das Konzept ist zugleich auch wissenschaftsorientiert, denn es ist in seiner systematischen Strukturierung durch die Prinzipien der Theorie der Elektro­dynamik von Faraday und Maxwell bestimmt. Für die Fachoberschule ist es im Hinblick auf die angestrebte Studierfähigkeit zugleich auch insoweit propä­deutisch, als es sich von den Themengebieten her an dem orientiert, was im Grundstudium des Studienganges »Elektrotechnik« an der Fachhochschule vermittelt wird. Soweit es für das Verständnis insbesondere so zentraler Grundbegriffe wie »Bewegung«, »Kraft«, »Feld«, »Spannung« und »Strom« von Bedeutung ist, greift das folgende Konzept auch auf Elemente einer historisch-genetischen Darstellung zurück.

Damit ist dieses Konzept zugleich auch prinzipiell fachübergreifend angelegt. So erfordert beispielsweise ein umfassendes Verständnis der Entwicklung der Elektro­dynamik und ihrer Begriffssystematik seit den ersten systematischen, durch fernwirkungstheoretische Modelle geprägten Bemühungen von Coulomb gegen Ende des 18. Jahrhunderts neben solidem Grundlagenwissen in der Mechanik sowohl Kenntnisse über die philosophischen Grundlagen etwa der Faradayschen Nahewirkungstheorie (Dynamismus) als auch über die gesell­schaftlich-politischen und ökonomischen Veränderungen in der Epoche der Industrialisierung.

In der Klasse 11 der Form A der Fachoberschule steht das Themenfeld »Elektro­technik 1« didaktisch im wechselseitigen Kontext mit dem anschließend vorgestellten Konzept für den parallel dazu laufenden einstündigen Labor­unterricht. Dieses Konzept ist für die Durchführung von praktischen Labor­übungen mit meßtechnischen Schwerpunkten entwickelt worden. Damit soll der Wechselbezug von reflexions- und handlungsbezogenen Lernsequenzen gewähr­leistet werden. Die messtechnischen Grundlagen werden von der praktischen Seite der Handhabung her in den Laborübungen gleichsam handlungsorientiert vermittelt, während die gerätetechnischen Grundkenntnisse (Aufbau und Funktions weise von Messgeräten) in einem stark anwendungsbezogenem und jahrgangsübergreifend konzipierten Lehrgang »Einführung in die elektrische Messtechnik« behandelt wird. Auch dessen Struktur soll im folgenden kurz dokumentiert werden.

Themenfeld ET 1: Elektrisches Strömungsfeld und GS-Netzwerke

In diesem Kurs sollen insbesondere die zum Verständnis des Spannungsbegriffs notwendigen Grundbegriffe des elektrischen Feldes, die wesentlichen Bestim­mungen und Gesetze des elektrischen Strömungsfeldes sowie einige wichtige Verfahren zur Berechnung von Gleichstrom-Netzwerken erarbeitet werden.

A. Einige Grundbegriffe der Newtonschen Mechanik

  • Mathematische Vorbetrachtung: »Proportionalität und Geradengleichung«
  • Die Newtonsche Mechanik als erste entwickelte physikalische Theorie und Voraussetzung einer elektrischen Theorie
  • Geschwindigkeit, Beschleunigung und einfache Bewegungsformen
  • Ursache von Bewegungen: Trägheitsprinzip und Kraftbegriff
  • Kreisbewegung und Gravitationsgesetz

B. Elektrische Ladung und elektrostatisches Feld

1. Elektrische Kraft und Elektro

  • Wahrnehmung verschiedener Fernwirkungen zwischen Körpern
  • Notwendigkeit der Unterscheidung von mechanischen und elektrischen "Fernkräften"
  • Elektrische Ladung als Ursache elektrischer Kräfte

 

2. Coulombsches Gesetz als Fernwirkungsgesetz

  • Gesetze zur Fernwirkung von mechanischen und elektrischen Kräften (Spekulation von Coulomb)
  • Torsionsdrehwaagen zur Messung mechanischer und elektrischer "Fernkräfte"
  • Zur Theorie der Fernwirkung von elektrischen Kräften
  • Übungsaufgaben zum Coulombschen Gesetz
  • Mathematische Exkurse zum »Vektorbegriff« und zu »Zehnerpotenzen«

 

3. Die Nahewirkungstheorie (Feldtheorie) elektrischer Kräfte von Michael Faraday

  • Übergang zur Feldtheorie: Einwände Faradays gegen die Fernwirkungstheorie
  • Michael Faraday zur Übertragung elektrischer Kräfte und Kraftlinienbegriff
  • Beschreibung elektrischer Felder mit dem Feldlinienmodell

 

4. Die elektrische Feldstärke E als Wirkungsgröße des elektrischen Feldes

  • Zusammenhang zwischen elektrischer Kraft und Probeladung
  • Definition (Messvorschrift) der elektrischen Feldstärke E

C. Elektrisches Potential und elektrische Spannung

1. Exkurs: Physikalische Arbeit und Energie - Erste Bes

  • Mechanische Arbeit und potentielle Energie im Gravitationsfeld
  • Elektrische Arbeit und potentielle Energie im elektrischen Feld

 

2. Elektrisches Potential als skalare elektrische Feldgröße

  • Überführungsarbeit im elektrischen Feld
  • Definition des elektrischen Potentials als Arbeitsfähigkeit des elektrischen Feldes in einem Feldpunkt

 

3.  Elektrisches Potential und elektrische Spannung

  • Elektrische Spannung als Potentialdifferenz im elektrischen Feld
  • »Expander«-Modell zum Begriff der elektrischen Spannung
  • Übungsaufgaben zur elektrischen Spannung

 

4. Prinzip der Energieumformung beim Laden und Entladen eines Kondensators

  • Bandgenerator als "elektrischen Ladungspumpe" (Modell) zum Laden eines Plattenkondensators
  • Energieumformung beim Entladen eines Kondensators

 

5. Allgemeines Prinzip der Ladungstrennung in idealen Spannungsquellen

  • Umsetzung von Energie in Überführungsarbeit zur Ladungstrennung
  • Erhaltung der Ladungstrennung durch Energiezufuhr

 

6. Technische Verfahren zur Ladungstrennung in Spannungsquellen

  • Vorbetrachtung: Das Bohrsche Atommodell
  • Mechanische Spannungserzeugung - Beispiele: Bandgenerator und Piezo-Element
  • Chemische Spannungserzeugung - Beispiel: Zink-Kohle-Primär­element (Volta-Prinzip)
  • Elektromagnetische Spannungserzeugung - Beispiel: Bewegter Leiterstab im Magnetfeld (Induktionsprinzip)
  • Thermische Spannungserzeugung - Beispiel: Kupfer-Konstantan-Thermoelement (Seebeck-Effekt)

 

 

 

D. Strömungsfeld, elektrischer Strom und elektrischer Widerstand

1. Übergang vom elektrostatischen Feld zum elektrischen Strömungsfeld

  • Nichtleiter, Isolierstoff und Leiter im elektrostatischen Feld
  • Elektrisches Strömungsfeld als Feld strömender Ladungen

2. Ladungsströmung in einem Leiter und Begriff des elektrischen Stromes

  • Präzisierung des Begriffs der Ladungsströmung
  • Definition der elektrischen Stromstärke

 

3. Stromdichte und Feldstärke im elektrischen Strömungsfeld

  • Die Stromdichte als Maß für die Geschwindigkeit der strömenden Ladung
  • Die Elementarform des Ohmschen Gesetzes
  • Übungsaufgabe zur Elementarform des Ohmschen Gesetzes

 

4. Elektrischer Widerstand und technische Form des Ohmschen Gesetzes

  • Begriff des elektrischen Widerstands
  • Technische Form des Ohmschen Gesetzes
  • Berechnung des Leiterwiderstandes
  • Bauformen von Widerständen
  • Kennlinien-Darstellung von Widerständen im I-U-Diagramm
  • Kennzeichnung und Normreihen von technischen Widerständen

 

5. Stromleitung in Metallen

  • Stromleitung in Metallen als Strömung "freier" Elektronen
  • Einfluss der Temperatur auf den Widerstand metallische Leiter
  • Driftgeschwindigkeit der freien Elektronen

E. Elektrische Arbeit und Leistung

1. Elektrische Arbeit im elektrischen Strömungsfeld und elektrische Leistung

  • Präzisierung des Stromkreisbegriffs
  • Definition der elektrischen Arbeit und Leistung
  • Übungsaufgaben zur elektrischen Arbeit und Leistung
  • Messung der elektrischen Arbeit und Leistung

2. Energieflussdiagramm und Definition des Wirkungsgrades

3. Umformung elektrischer Energie in Wärme-Energie

F. Schaltungen mit elektrischen Widerständen

1. Grundschaltungen mit elektrischen Widerständen

  • Reihenschaltung und Zweites Kirchhoffsches Gesetz
  • Parallelschaltung und Erstes Kirchhoffsches Gesetz
  • Erstes Anwendungsbeispiel: Gruppenschaltung

 

2. Spannungsverlust in Spannungsquellen

  • Innenwiderstand von Spannungsquellen
  • Spannungsquelle als aktiver Zweipol
  • Belastungsfälle
  • Leistungsanpassung

 

3. Spannungsverlust in Leitungen

  • vollständiges Ersatzschaltbild eines einfachen Stromkreises
  • Berechnung des Spannungsverlustes und Übungen

 

4. Erweiterung des Messbereichs von Messgeräten

  • Messbereichserweiterung bei Strommessern
  • Messbereichserweiterung bei Spannungsmessern

 

5. Spannungsteilerschaltung

  • Spannungsteiler im Leerlauf
  • Belasteter Spannungsteiler

 

6. Brückenschaltung

  • Grundform mit kurzgeschlossenem, offenem und widerstandsbehaftetem Brückenzweig
  • Nachtrag: Dreieck- und Sternschaltung von Widerständen als weitere Grundschaltungen
  • Messtechnische Anwendung der Brückenschaltung: Wheatstonesche Widerstandsmessbrücke

 

7. Schaltungen mit nichtlinearen Widerständen

  • Laborübung I: Kennlinienaufnahme eines VDR-Widerstandes
  • Reihenschaltung aus linearem und nichtlinearem Widerstand
  • Laborübung II: Kennlinienaufnahme eines NTC-Widerstandes

 

 

G. Berechnung von Gleichstrom-Netzwerken

1. Kirchhoffsche Gesetze und Gleichstrom-Netzwerke

  • Kirchhoffsche Gesetze als Knotenpunkt- und Maschenregel
  • Ermittlung des Gleichungssystems (Vollständiger Baum)
  • Erste Übungen zur Knotenpunkt- und Maschenregel
  • Exkurs: Gaußsches Eliminationsverfahren

 

2. Gleichstrom-Netzwerke - Weitere Berechnungsverfahren

  • Überlagerungsverfahren nach H. v. Helmholtz
  • Kreisstromverfahren
  • Übungen zum Kreisstromverfahren
  • Ersatzspannungsquellen-Verfahren mit Übungen

 

3. Ergänzungen

  • Zeitdiagramme verschiedener Spannungs- und Stromarten
  • Scheitelwert und Effektivwert von Sinuswechselgrößen
  • Laborübung: Untersuchung eines Spannungsteilers

Laborübungen zum Themenfeld »Elektrotechnik 1« (Klasse 11)

Das im folgenden thematisch kurz skizzierte Laborkonzept geht von der Voraussetzung aus, dass die Schüler weder theoretische noch praktische Kenntnisse sowohl bezüglich der elektrotechnischen Themen als auch der messtechnischen Anforderungen mitbringen. Die Laborübungen laufen von Beginn der Klasse 11 an parallel im Rahmen eines 1-stündigen Laborunterrichts (alle 2 Wochen eine Doppelstunde). Dies birgt die Schwierigkeit in sich, dass sich die Schüler von der ersten Laborstunde an mit elektrotechnischen Fragestellungen auseinandersetzen müssen, obgleich sie vom parallel verlaufenden Elektrotechnik-Unterricht keinerlei theoretische Vorkenntnisse einbringen können. Da ihnen jedoch aufgrund ihrer physikalischen Vorbildung die Begriffe Strom, Spannung und Widerstand in der Regel nicht ganz fremd sind, lassen sich die jeweiligen Themen durchaus erfolgreich in die stark handlungsorientierten Lernprozesse im Labor­unterricht einbinden. Dabei geht es in den ersten Wochen primär um die Organisation der Laborarbeit und die Handhabung von elektrischen Messgeräten, aber auch um Fragen der Auswertung, der Dokumentation und der graphischen Darstellung von Messergebnissen. Erfahrungsgemäß ist die Differenz zwischen den elektrotechnischen Anforderungen des Laborunterrichts und den ent­sprechenden theoretischen Kenntnissen aus dem Theorieunterricht nach 3 bis 4 Monaten soweit kompensiert, dass zwischen Theorie- und Laborunterricht inhaltliche Wechselbezüge hergestellt werden können, von denen beide Lernbereiche gleichermaßen profitieren.

Zur Kennzeichnung der Reihenfolge sind die Laborübungen auf den dazugehörigen Arbeitsblättern durchnummeriert. Die im folgenden angegebenen Themen-Ziffern sind die Nummern der jeweiligen Laborübung.

A. Labor: Einführung in die Laborarbeit

1. Laborordnung und Grundausstattung eines Laborplatzes

2. Der elektrische Stromkreis

B. Labor: Strom- und Spannungsmessungen - Kennlinien

3. Strom-Spannungs-Kennlinie einer Glühlampe (nichtlinearer Widerstand)

4. Strom-Spannungs-Kennlinien von Festwiderständen (linearer Widerstand)

5.  Strom-Spannungs-Kennlinie von Dioden (weitere nichtlineare Bauelemente)

C. Labor: Stromkreise und Widerstandsschaltungen

6. Elektrische Potentiale und Spannungen (Reihenschaltung)

7. Stromkreis mit verschiedenen Festwiderständen (Strom-Widerstands-Kennlinie)

8. Parallelschaltung von Widerständen und Stromteilung

9. Ersatzwiderstand von Schaltungen mit Festwiderständen (Begriff des Ersatzwiderstandes)

10. Widerstandsfamilien und Belastung von Widerständen (Zum Leistungs­begriff)

D. Labor: Spannungsteiler und Spannungsquellen

11. Spannungsteilung: Unbelasteter und belasteter Spannungsteiler

Verhalten belasteter Spannungsquellen:

12. Teil 1 : mit Spannungsteiler als Quelle

13. Teil 2 : mit Kettenschaltung als Quelle

14. Teil 3 : Aufnahme der Leistungskennlinie und Leistungsanpassung

E. Labor: Nachträge

15. Kennlinienaufnahme eines VDR-Widerstandes (Nachtrag zu den nichtlinearen Bauelementen - siehe Abschnitt B.)

Themenfeld ET 2: Elektrisches und magnetisches Feld

In diesem Kurs sollen insbesondere die Grundbegriffe, Grundgrößen und grundlegenden Gesetzmäßigkeiten des elektrischen und magnetischen Feldes sowie Verfahren zur Berechnung magnetischer Kreise erarbeitet werden.

A. Das elektrische Feld - Grundgrößen und Gesetze

1. Die elektrische Feldstärke E als Wirkungsgröße des elektrischen Feldes

  • Zusammenhang zwischen elektrischer Kraft und Probeladung
  • Definition (Meßvorschrift) der elektrischen Feldstärke E

 

2. Die elektrische Erregung D als Ursachengröße des elektrischen Feldes

  • Ladungstrennung durch Influenz im elektrischen Feld
  • Zum Problem der feldtheoretischen Bestimmung einer Ursachengröße
  • Definition (Meßvorschrift) der elektrischen Erregung D
  • Meßverfahren zur Messung der elektrischen Feldgrößen E und D

 

3. Das Grundgesetz des elektrostatischen Feldes

  • Verknüpfung von Ursachengröße D und Wirkungsgröße E
  • Elektrische Feldkonstante und Dielektrizitätskonstante (auch: Permittivität)

 

4. Elektrischer Feldfluß und Gaußscher Satz

  • Elektrostatisches Grundgesetz und Gaußscher Satz
  • Elektrischer Feldfluß als Produkt aus Feldstärke und Wirkungsfläche
  • Felderzeugende Ladung, influenzierte Ladung und Modell der Hüllfläche

 

5. Erste Anwendungsbeispiele zu den elektrischen Feldgrößen

  • Erste Berechnungsbeispiele zum elektrostatischen Grundgesetz
  • Feldtheoretische Begründung des Coulombschen Gesetzes
  • Überlagerung elektrischer Felder von Punktladungen

B. Begriff der Kapazität und der Kondensator als Bauelement

1. Ladung und Kapazität einer Kondensatoranordnung

  • Zusammenhang von Ladung und Spannung im homogenen elektrischen Feld
  • Allgemeine Definition der Kapazität

 

2. Sonderfälle: Kapazität verschiedener Kondensatoranordnungen

  • Zusammenhang von Ladung und Spannung im homogenen elektrischen Feld
  • Kapazität des Plattenkondensators
  • Nachtrag zum Plattenkondensator: Anziehungskraft zwischen den Platten
  • Kapazität des Kugelkondensators
  • Kapazität des Zylinderkondensators

 

3. Isolierstoffe im elektrischen Feld

  • Polarisation von Isolierstoffen im elektrischen Feld
  • Verschiebungs- und Richtungspolarisation
  • Einfluss des Dielektrikums auf die Kapazität

 

4. Schaltungen von Kondensatoren

  • Parallelschaltung von Kondensatoren
  • Reihenschaltung von Kondensatoren
  • Berechnung von Kondensatoren und Kondensatorschaltungen

C. Laden und Entladen von Kondensatoren und elektrische Feldenergie

1. Laden von Kondensatoren mit konstanter Ladespannung und Entladen

  • Lade- und Entladevorgänge (Übersicht)
  • Der Einfluß von R und C auf Lade- und Entladevorgänge
  • Definition der Zeitkonstanten

 

2. Laden von Kondensatoren mit konstantem Ladestrom

  • Ladefunktionen
  • Zeitdiagramme

 

3.  Elektrische Feldenergie im Kondensator

  • Begründung der Formel für die im Kondensator gespeicherte elektrische Feldenergie
  • Energieumwandlung beim Zusammenschalten zweier Kondensatoren

 

4. Übungsaufgaben zu Lade- und Entladevorgängen

5. Anwendungsbeispiel: RC-Schaltungen als Impulsformer

6. Wichtiger Nachtrag: Begründung der e-Funktionsgleichungen

  • Begründung mit elementarer Mathematik
  • Begründung mit Differentialgleichung

D. Magnetische Kraft und Darstellung des magnetischen Feldes

1. Zur Theorie der Fernwirkung magnetischer Kräfte

  • Wechselwirkung zwischen Dauermagneten
  • Eigenschaften magnetischer Fernkräfte

2. Erste Bestimmungen zum Begriff des magnetischen Feldes

3. Der elektrische Strom als Ursache des magnetischen Feldes

  • Der Versuch von H.Chr. Oersted (Juli 1820)
  • Magnetfeldverlauf um einen geraden Stromleiter

 4. Wechselwirkung zwischen zwei parallelen Stromleitern

  • Der Versuch von A.-M. Ampère (Oktober 1820)
  • Zur Notwendigkeit der Unterscheidung von elektrischer und magnetischer Kraft

 

5. Zwischenbilanz: Vergleich zwischen elektrischem und magnetischem Feld

6. Kraftwirkung auf einen Stromleiter im magnetischen Feld

E. Grundgrößen und Grundgesetze des magnetischen Feldes

1. Die magnetische Feldstärke B als Wirkungsgröße des magnetischen Feldes

  • Bestimmung des Begriffs der bewegten Ladung als "q · v" bzw. "I · l"
  • Definition der magnetischen Feldstärke B als Wirkungsgröße
  • Meßverfahren zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke B mit der Stromwaage

 

2. Die magnetische Erregung H als Ursachengröße des magnetischen Feldes

3. Der Zusammenhang zwischen den magnetischen Feldgrößen B und H

  • Verknüpfung von Ursachengröße H und Wirkungsgröße B
  • Magnetische Feldkonstante und Permeabilität

 

4. Anwendung der magnetischen Feldgrößen B und H auf verschiedene Anordnungen

  • Berechnung der Feldgrößen H und B
  • außerhalb eines geraden Stromleiters
  • im Inneren einer langen Zylinderspule sowie in einer Ringspule
  • Überlagerung von Magnetfeldern paralleler Stromleiter
  • Magnetische Kraft zwischen zwei parallelen Stromleitern
  • Definition der Stromstärke-Maßeinheit »1 Ampere«
  • Berechnung der Feldgrößen H und B innerhalb eines geraden Stromleiters
  • Magnetische Erregung in Spulen und Durchflutung als skalare magnetische Feldgröße

 

5. Der magnetische Feldfluß F als weitere skalare magnetische Feldgröße

  • Definition des magnetischen Flusses
  • Verallgemeinerung: Der magnetische Feldfluß als Skalarprodukt der Vektoren B und A

 

6. Der Durchflutungssatz

  • Die magnetische Feldlinie als Umlaufweg eines Magnetpols
  • Entwicklung des Durchflutungssatzes:
  • Erster Sonderfall: Gerader Stromleiter mit kreisförmigem Umlaufweg
  • Zweiter Sonderfall: Gerader Stromleiter mit zusammengesetztem kreisförmigem Umlaufweg
  • Übergang zur allgemeinen Form des Durchflutungssatzes
  • Erstes Anwendungsbeispiel zum Durchflutungssatz: Koaxiale Hohlleiter

 

7. Nachtrag: Magnetische Kraft auf freie Elektronen

  • Hall-Effekt und Hall-Spannung
  • Meßtechnische Anwendungen des Hall-Effekts

F. Stoffe im Magnetfeld

1. Luft im Magnetfeld einer langen Zylinderspule

  • Messung der magnetischen Feldstärke mit Hall-Sonden-Meßgerät
  • Meßtechnische Bestimmung der Permeabilität in einer Luftspule

 

2. Eisen im Magnetfeld einer langen Zylinderspule

  • Erster Hinweis auf die Besonderheiten ferromagnetischer Stoffe
  • Modell der Elementarmagnete
  • Nichtlinearer Zusammenhang zwischen B und H

 

3. Ferromagnetische Stoffe

  • Bahn- und Spinbewegung von Elektronen
  • Weißsche Bezirke und Blochwände
  • Magnetisierungskurve und Hystereseschleife

 

4. Para- und diamagnetische Stoffe im Magnetfeld

G. Der magnetische Kreis

1. Formale Analogien zwischen elektrischem und magnetischem Kreis

2. Berechnung unverzweigter magnetischer Kreise

  • Anwendung des Durchflutungssatzes auf den magnetischen Kreis
  • Berechnungsverfahren und erste Übungsaufgaben

 

3. Magnetische Kraft zwischen Magnetpolen

  • Vorläufige Darstellung der Formel

 

4. Vertiefende Übungen zum magnetischen Kreis

  • Weitere Berechnungsbeispiele zum magnetischen Kreis
  • Verfahren der Luftspaltgeraden

Themenfeld ET 3: Induktion und Wechselstromtechnik

 In diesem Kurs geht es zunächst um grundlegende Zusammenhänge zur Darstellung zeitlich veränderlicher magnetischer Felder. Insbesondere sollen die Grund­begriffe und Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung und Berechnung von Induktionsvorgängen einschließlich der Schalt­vorgänge in RL-Schaltungen erarbeitet werden. Im Mittelpunkt des zweiten Teiles dieses Kurses steht dann die Darstellung der physikalischen und mathematischen Grundlagen zur komplexen Form der Darstellung und Berechnung von Wechselstromkreisen.

A. Induktionsvorgänge und ihre Gesetze

1. Zum Gegenstand: Versuche zur Induktion der Bewegung

2. Induktionsspannung in einem Leiterstab (erster Sonderfall)

  • Erste spezifische Form des Induktionsgesetzes
  • Zur Relativität der Induktion

 

3. Die Faradaysche Form des Induktionsgesetzes

  • Herleitung des Induktionsgesetzes (zweiter Sonderfall)
  • Unterscheidung in Induktion der Bewegung und der Ruhe
  • Darstellung von Induktionsvorgängen in Zeitdiagrammen
  • Übungen zum Induktionsgesetz

 

4. Induktionsspannung und Induktionsstrom

  • Richtung von Induktionsvorgängen
  • Energieumwandlung und Lenzsches Gesetz

 

5. Thomsonscher Ringversuch (als Anwendungsbeispiel zu 4.)

6. Verallgemeinerung: Zum Inhalt der Maxwellschen Gleichungen

B. Selbstinduktion und Schaltvorgänge in Spulenstromkreisen

7. Selbstinduktion in Spulen

  • Formen der Selbstinduktion
  • Berechnung der Selbstinduktionsspannung
  • Allgemeine Definition der Induktivität
  • Feldenergie in Spulen mit konstanter Induktivität
  • Übungen zur Selbstinduktion

 

8. Schaltvorgänge in RL-Schaltungen (reale Spule)

  • Zeitdiagramme und Funktionsgleichungen
  • Übungen zu den RL-Schaltvorgängen
  • Nachtrag: Herleitung und Begründung der Zeitfunktionsgleichungen

 

 

C. Sinusförmige Wechselgrößen und einfache Wechselstromkreise

9. Rotierende Schleife (Drehspule) im Magnetfeld: Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen 

  • Zeitverlauf des magnetischen Flusses in der rotierenden Schleife
  • Zeitverlauf der Induktionsspannung in der rotierenden Schleife

 

10. Zeigerdarstellung von sinusförmigen Wechselgrößen

  • Funktionsgleichung, Zeitdiagramm und Zeigerdarstellung
  • Konstruktion des Zeitdiagramms aus dem Zeigerdiagramm

 

11. Mittelwerte von elektrischen Wechselgrößen

  • Arithmetischer Mittelwert
  • Gleichrichtwert
  • Quadratischer Mittelwert (auch:Effektivwert)

 

12. Addition von sinusförmigen Wechselgrößen gleicher Frequenz

13. Begründung der sog. »idealen« Wechselstromwiderstände

14. Grundschaltungen mit Wechselstromwiderständen und Wechselstromleistung

  • Reihenschaltungen mit Wechselstromwiderständen
  • Parallelschaltungen mit Wechselstromwiderständen
  • Wechselstromleistung
  • Übungsaufgaben (in nichtkomplexer Form)

D. Mathematischer Exkurs: Komplexe Zahlen und symbolische Rechnung

15. Definition, Darstellung und Rechnen mit komplexen Zahlen 

  • Definition der imaginären Zahl j
  • Begründung und Darstellung einer komplexen Zahl
  • Darstellungsformen von komplexen Zahlen
  • Addition und Subtraktion von komplexen Zahlen
  • Multiplikation und Division von komplexen Zahlen

 

16. Anwendung: Komplexe Form der Darstellung elektrischer Wechselgrößen

  • Zeigerdarstellung von Strom und Spannung in komplexer Form
  • Operator-Darstellung von Wechselstromwiderständen in komplexer Form

E. Berechnung von Wechselstromkreisen in komplexer Form

17. Berechnung von Wechselstromkreisen in komplexer Form (Erste Übungen)

18. Phasendrehung in Wechselstromschaltungen

  • Wechselstrom-Brückenschaltungen
  • Phasendrehung auf 90° als Beispiel
  • Kapazitätsbrückenschaltung

 

19. Wechselstrom-Meßbrücken

  • Kapazitätsmeßbrücke nach Max Wien
  • Wien-Meßbrücke mit Parallelersatzwiderständen
  • Frequenz-Meßbrücke nach Wien und Robinsohn

 

20. Phasenschieberbrücke

  • Prinzip der Phasenschieberbrücke
  • Erste Einführung in die Ortskurvendarstellung

 

21. Komplexe Scheinwiderstände - Zusammenfassende Übersicht

22. Ersatzspannungsquelle - Anwendung auf Wechselstromkreise

23. Blindleistungsmessung mit 90°-Schaltung nach Hummel

24. Einführung in die Ortskurven-Darstellung

25. RC- und RL-Schaltungen als Frequenzfilter

Kurs Elektrotechnik 4: Elektrische Messtechnik

Der Lehrgang »Einführung in die elektrische Messtechnik ist in der im Folgenden dargestellten Form nur für die Organisationsform A der Fachoberschule entwickelt worden und grundsätzlich jahrgangsübergreifend konzipiert. Nach der Behandlung der ersten Grundlegungen zum elektrischen Feld in der Jahrgangsstufe 11 sind die physikalischen Voraussetzungen zum Verständnis des Oszilloskops vorhanden. Mit dessen Behandlung kann damit bereits im 2. Halbjahr der Klasse 11 begonnen werden. Die Laborübungen zum Oszilloskop lassen sich dann an­schließend im 1. Halbjahr der Jahrgangsstufe 12 durchführen. Nachdem gegen Ende des 1. Halbjahres der Jahrgangsstufe 12 im Rahmen des Lehrgangs »Elektro­technik 2« die Grundbegriffe des magnetischen Feldes erarbeitet worden sind, kann etwa zu Beginn des 2. Halbjahres die Behandlung der elektro­magnetischen Meßwerke in Angriff genommen werden.

A. Elektronenstrahl-Oszilloskop

1. Elektronenstrahl-Oszilloskopröhre

2. Zeitablenkung im Oszilloskop

3. Blockschaltbild des Oszilloskops (Ein- und Zweikanal-Oszilloskop)

4. Bedienungselemente eines 2-Kanal-Oszilloskops (HAMEG 203-5)

5. Messverfahren mit dem Oszilloskop

  • Spannungsmessung und absolute Frequenzmessung
  • Relative Frequenzmessung mit Hilfe von Lissajous-Figuren
  • Phasenwinkelmessung mit 2-Kanal- und 1-Kanal-Oszilloskop (Lissajous-Figuren)

 

6. Laborübungen mit dem Oszilloskop

  • Erste Spannungs- und Frequenzmessungen
  • Aufnahme der Lade- und Entladekurven eines Kondensators
  • RC-Schaltungen als Integrier- und Differenzierglied 

B. Elektromagnetische Strom- und Spannungsmesser

7. Das Magnetnadelgalvanometer - Ein historisches Messgerät

8. Das Drehmagnetmeßwerk

  • Aufbau und Wirkungsweise
  • Sinnbilder und Schaltzeichen für Meßgeräte

 

9. Das Drehspulmeßwerk

  • Stromdurchflossene Drehspule im Magnetfeld
  • Aufbau und Wirkungsweise des Drehspulmeßwerks
  • Lagerung, Dämpfung und Eigenschaften von Drehspulmeßwerken

 

10. Das Dreheisenmeßwerk

  • Vorversuch: Zwei Eisenkörper im Magnetfeld einer Spule
  • Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften des Dreheisenmeßwerkes

C. Elektromagnetische Leistungsmesser

11. Das Elektrodynamische Meßwerk als Leistungsmesser

12. Das Induktionsmeßwerk als Wechselstromzähler

13. Blindleistungsmessung mit dem elektrodynamischen Meßwerk

Links zu Themen der Elektrotechnik

Virtuelles Oszilloskop: Hervorragende Darstellung zur Simulation sämtlicher Funktionen, die zum Erlernen der Handhabung notwendig sind.

Elektrotechnik: Gut dokumentierte Vorlesungsmaterialien mit Übungsaufgaben zu den »Grundlagen der Elektrotechnik« und weiteren Themengebieten (Autor: Prof. Schaub/FH Ulm)

Elektrische Messtechnik: Reichhaltige Sammlung historischer und aktueller Messinstrumente mit zahlreichen Abbildungen von beachtlicher Qualität und ausführlichen Beschreibungen der Wirkungsweise insbesondere der elektromagnetischen Messwerke.

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