Experimental-Elektrotechnik
Experimental Electrical Engineering

Das Modul „Experimental-Elektrotechnik“ vermittelt anhand von Demonstrationsexperiementen eine Einführung in die Grundlagen der Elektrotechnik. Dabei steht die experimentelle Erfahrung vor der theoretischen Beschreibung.

Inhaltlich werden folgende Themen behandelt:

1. Elektrostatik: Ladungstrennung, Kraftwirkung auf Ladungen, Definition der elektrischen Spannung, Entladungsvorgänge und Momentanleistung.
2. Stationärer Stromkreis: Definition der elektrischen Stromstärke, Ohmsches Gesetz, Kirchhoffscher Maschensatz und Knotensatz und deren Konsequenz für Reihen- und Parallelschaltung, Potentiometerschaltung.
3. Reale Spannungsquellen: Strom-Spannungscharakteristik realer Quellen (Batterien, Akkumulatoren, Transformatoren) und deren Beschreibung durch lineare Ersatzquellen, Innenwiderstand, Kurzschlussstrom und offene Klemmspannung, Reihen und Parallelschaltung realer Quellen, Verlustleistung in realen Quellen, Leistungsanpassung, hochohmige vs. niederohmige elektrische Leistungsübertragung.
4. Kondensator: Definition des Begriffs „Kapazität“, Zusammenhang mit der Geometrie, funktionale Strom-Spannungsabhängigkeit an einem Kondensator und deren Konsequenz für das Wechselstromverhalten sowie das zeitliche Auf- und Entladeverhalten
5. Magnetismus infolge von Stromfluss, Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter, Lorentzkraft, Ferromagnetismus, Maxwellsche Kraft (Reluktanzkraft), Gleichstrommotor (mit Permanentmagnet und als Reihen-bzw. Hauptschlussmotor)
6. Induktionsgesetz: Induktionsspannung als Funktion des magnetischen Flusses, Induktionsspannung als Ring- (bzw. Umlauf-)spannung (elektrodenlose Ringentladung, Induktionsofen), die Lenz´sche Regel, Wirbelstrombremse
7. Anwendungen des Induktionsgesetztes: fremd- und selbsterregte Generatoren, das dynamoelektrische Prinzip, Transformatoren und deren Bedeutung bei der Energieübertragung und zur Potentialtrennung, Definition der Größe „(Selbst-)Induktivität“ und des Bauelements „Spule“, Strom-Spannungszusammenhang an einer Spule und deren Bedeutung für das Wechselstromverhalten sowie bei Ein- und Ausschaltvorgängen.
8. Intrinsische Halbleiter: Qualitative Einführung des Bändermodells und experimentelle Bestätigung durch Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands, Nachweis der Fundamentalabsorption sowie der Infrarottransparenz üblicher Halbleiter, Nachweis des inneren photoelektrischen Effekts (Fotoleitung) sowie (Elektro-)Lumineszenz sowie die Korrelation all dieser Phänomene miteinander.
9. Extrinsische Halbleiter: Idee der Substitutionsdotierung und Nachweis der Wirkung auf die elektrische Leitfähigkeit, Thermospannung und Erklärung des Begriffs „Loch“. Der pn-Übergang und dessen nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik. Nachweis der built-in-Spannung durch den photovoltaischen Effekt, Anwendung des pn-Übergangs als Gleichrichter in Einweg- und Brückengleichrichtern sowie Spannungsvervielfacherschaltungen.
10. verstärkende Elemente: Nachweis des Feldeffekts und dessen Nutzung in Feldeffekttransistoren als elektronische Schalter und elementare elektronische Verstärker, Rückkopplung ideal verstärkender Elemente mit idealer Begrenzung: Gegenkopplung und deren Nutzung in Regelkreisen (Bsp. Konstantspannungsquelle). Mitkopplung und deren Bedeutung für bistabile, astabile und monostabile Kippschaltungen, sowie Komparatoren und Schmitt-Trigger.

Die Studierenden sind in der Lage:

• die physikalischen Größen elektrische Spannung, Stromstärke, Leistung, Widerstand, Kapazität, Induktivität und magnetische Fluss mit deren physikalischen Einheit korrekt zu verwenden

• Grundgesetzte der Parallel- und Reihenschaltung von Elementen anzuwenden, Spannungs- und Stromteiler zu dimensionieren und Äquivalenzwiderstände aus Reihen- und Parallelschaltung abzuleiten

• aus Strom-Spannungs-Kennlinien realer linearer Quellen Innenwiderstand, Kurzschlussstrom und offene Klemmspannung zu ermitteln.

• den Arbeitspunkt einer beliebigen Last an einer linearen Quelle zu ermitteln und daraus abgegebene Leistung und Verlustleistung zu bestimmen

• Aus dem zeitlichen Lade- oder Entladeverhalten eines Kondensators graphisch die RC-Zeitkonstante zu bestimmen

• Anhand der zeitlichen Strom-Spannungsverläufe auf die Elemente Kondensator, Ohmscher Widerstand oder Spule zu schließen

• mit der „Rechtsschraubenregel“ aus der Stromrichtung auf die magnetische Feldrichtung zu schließen

• mit Hilfe der „Rechten-Hand-Regel“ auf die zu erwartende Kraftwirkung in Magnetfeldern (Lorentz-Kraft) zu schließen

• Anhand der Lenz´schen Regel die zu erwartende Richtung von Strom, Spannung sowie Kraftwirkungen bei Induktionsvorgängen vorherzusagen

• In Einweg- und Brückengleichrichterschaltungen, sowie Spannungsvervielfacherschaltungen (Kaskaden) mit und ohne kapazitiver Last die zu erwartende Spannungsbelastungen an den beteiligten Bauelementen vorherzusagen, sowie die zu erwartenden Oszillogramme zu skizzieren

• Durch Gegenkopplung verstärkender Elemente einfache Regelaufgaben (z.B: Konstantspannungsquelle) zu realisieren

• Durch Mitkopplung verstärkender Elemente Kippstufen (bistabil, monostabil und astabil) sowie Komparator und Schmitt-Trigger Schaltungen zu realisieren.

Es gibt keine formalen Voraussetzungen zur Teilnahme, es wird aber Abiturwissen aus dem Bereich der Physik (Mechanik und Elektrizitätslehre) und Mathematik (Vektorrechnung, lineare Gleichungssysteme, Differentialrechnung) benötigt.

The module "Experimental Electrical Engineering" introduces the fundamentals of electrical engineering by means of demonstration experiments. Experimental experience is given precedence over theoretical description.

The following topics are covered:

1. electrostatics: charge separation, force effect on charges, definition of electric voltage, discharge processes and instantaneous power.
2. stationary circuit: definition of electric current, Ohm's law, Kirchhoff's mesh theorem and node theorem and their consequence for series and parallel connection, potentiometer circuit.
3. real voltage sources: Current-voltage characteristics of real sources (batteries, accumulators, transformers) and their description by linear equivalent sources, internal resistance, short circuit current and open circuit voltage, series and parallel connection of real sources, power dissipation in real sources, power matching, high resistance vs. low resistance electrical power transfer.
4. capacitor: definition of capacitance, relationship to geometry, functional current-voltage dependence on a capacitor and its consequence for AC current behavior and charge/discharge behavior over time.
5. magnetism due to current flow, force effect on current-carrying conductors, Lorentz force, ferromagnetism, Maxwell's force (reluctance force), DC motor (with permanent magnet and as series or main shunt motor)
6. law of induction: Induction voltage as a function of magnetic flux, induction voltage as ring (or closed loop) voltage (electrodeless ring discharge, induction furnace), Lenz's rule, eddy current brake.

7. applications of the law of induction: externally and self-excited generators, the dynamo-electric principle, transformers and their significance in energy transfer and for potential isolation, definition of the quantity "(self-)inductance" and of the component "coil", current-voltage relationship at a coil and its significance for the AC behavior as well as for switching-on and switching-off processes.

8. Intrinsic semiconductors: Qualitative introduction of the band model and experimental confirmation by temperature dependence of the electrical resistance, proof of fundamental absorption as well as infrared transparency of common semiconductors, proof of the internal photoelectric effect (photoconduction) as well as (electro)luminescence and the correlation of all these phenomena with each other.

9. extrinsic semiconductors: idea of substitutional doping and proof of its effect on electrical conductivity, thermoelectric voltage and explanation of the term "hole". The pn junction and its nonlinear current-voltage characteristics. Proof of the built-in voltage by the photovoltaic effect, application of the pn junction as a rectifier in half-wave and bridge rectifiers and voltage multiplier circuits.

   10. amplifying elements: Proof of the field effect and its use in field effect transistors as electronic switches and elementary electronic amplifiers, feedback of ideally amplifying elements with ideal limitation: negative feedback and its use in control circuits (example constant voltage source). Positive feedback and its importance for bistable, astable and monostable multivibrator circuits, as well as comparators and Schmitt triggers.

Students will be able to:

- correctly use the physical quantities of electric voltage, current, power, resistance, capacitance, inductance and magnetic flux with their physical unit.

- apply basic laws of parallel and series connection of elements, dimension voltage and current dividers and derive equivalent resistances from series and parallel connection

- determine internal resistance, short-circuit current and open circuit voltage from current-voltage characteristics of real linear sources.

- determine the operating point of any load on a linear source and from this determine power dissipated and power loss

- To graphically determine the RC time constant from the charge or discharge behavior of a capacitor over time.

-to infer the elements capacitor, ohmic resistor or coil from the current-voltage characteristics over time

- use the "right-hand rule" to infer magnetic field direction from current direction

- use the "right-hand rule" to infer the expected force effect in magnetic fields (Lorentz force)

- Predict the expected direction of current, voltage and force effects in induction processes using Lenz's rule.

- In half-wave and bridge rectifier circuits, as well as voltage multiplier circuits (cascades) with and without capacitive load, to predict the expected voltage loads on the components involved, and to sketch the expected oscillograms

- To realize simple control tasks (e.g.: constant voltage source) by negative feedback of amplifying elements

- To realize flip-flops (bistable, monostable and astable) as well as comparator and Schmitt-trigger circuits by means of positive feedback of amplifying elements.

There are no formal requirements for participation, but high-school-knowledge of physics (mechanics and electricity) and mathematics (vector calculus, linear systems of equations, differential calculus) is required.