Inhaltsverzeichnis
1 Semester 1
1.1 Zeit, Raum, Bewegung
1.2 Masse, Stoffmenge
1.3 Impuls, Kraft, Felder
1.4 Arbeit, Leistung, Energie
1.5 Wellen
1.6 Ladung, Strom, Spannung
1.7 Größe, Einheit, Dimension
1.8 Stromkreis
1.9 elektrisches Feld
1.10 Kondensatoren
1.11 verteilte elektrische Ströme
1.12 Berechnung elektrischer Felder
1.13 Eigenschaften elektrischer Felder
2 Semester 2
Semester 1
Zeit, Raum, Bewegung
Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position:
a
→
=
v
→
˙
=
r
→
¨
{\displaystyle {\vec {a}}={\dot {\vec {v}}}={\ddot {\vec {r}}}}
Richtung
e
→
{\displaystyle {\vec {e}}}
bzgl. kartesischem Koordinatensystem in
R
3
{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}
:
e
→
=
e
→
x
cos
α
x
+
e
→
y
cos
α
y
+
e
→
z
cos
α
z
{\displaystyle {\vec {e}}={\vec {e}}_{x}\,\cos \alpha _{x}+{\vec {e}}_{y}\,\cos \alpha _{y}+{\vec {e}}_{z}\,\cos \alpha _{z}}
Masse, Stoffmenge
ρ
=
m
V
{\displaystyle \rho ={\frac {m}{V}}}
m
=
n
⋅
M
{\displaystyle m=n\cdot M}
Impuls, Kraft, Felder
Impuls
p
→
=
m
⋅
v
→
{\displaystyle {\vec {p}}=m\cdot {\vec {v}}}
Kraft
F
→
=
m
⋅
a
→
{\displaystyle {\vec {F}}=m\cdot {\vec {a}}}
(Inertialsystem )
Gravitationsgesetz
F
→
=
G
m
1
⋅
m
2
r
2
e
→
r
{\displaystyle {\vec {F}}=G\,{\frac {m_{1}\cdot m_{2}}{r^{2}}}\,{\vec {e}}_{r}}
Gravitationsfeldstärke
g
→
=
F
→
m
2
=
G
m
1
r
2
e
→
r
{\displaystyle {\vec {g}}={\frac {\vec {F}}{m_{2}}}=G\,{\frac {m_{1}}{r^{2}}}\,{\vec {e}}_{r}}
wird durch Bezug auf m 2 unabhängig von Beeinflussung durch Messung (Masse des Messgeräts)
Coulomb-Gesetz
F
→
=
1
4
π
ε
0
Q
1
⋅
Q
2
r
2
e
→
r
{\displaystyle {\vec {F}}={\frac {1}{4\,\pi \,\varepsilon _{0}}}\,{\frac {Q_{1}\cdot Q_{2}}{r^{2}}}\,{\vec {e}}_{r}}
siehe auch: Elementarladung (e)
elektrische Feldstärke
E
→
=
F
→
Q
=
1
4
π
ε
0
Q
1
r
2
e
→
r
{\displaystyle {\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{Q}}={\frac {1}{4\,\pi \varepsilon _{0}}}\,{\frac {Q_{1}}{r^{2}}}\,{\vec {e}}_{r}}
(Kraft je Ladungseinheit)
Arbeit, Leistung, Energie
Arbeit
1
J
=
1
N
m
=
1
k
g
m
2
s
2
{\displaystyle 1\,\mathrm {J} =1\,\mathrm {Nm} =1\,{\frac {\mathrm {kg} \,\mathrm {m} ^{2}}{\mathrm {s} ^{2}}}}
W
=
F
→
⋅
s
→
{\displaystyle W={\vec {F}}\cdot {\vec {s}}}
Arbeit wird (zB. bei Hindernis) nur in „Verschieberichtung“ geleistet:
W
=
F
→
⋅
s
⋅
cos
α
{\displaystyle W={\vec {F}}\cdot s\cdot \cos \alpha }
Zerlegung in Komponenten:
F
→
=
F
→
1
+
F
→
2
{\displaystyle {\vec {F}}={\vec {F}}_{1}+{\vec {F}}_{2}}
F
→
1
=
F
⋅
cos
α
{\displaystyle {\vec {F}}_{1}=F\cdot \cos \alpha }
F
→
2
=
F
⋅
sin
α
{\displaystyle {\vec {F}}_{2}=F\cdot \sin \alpha }
konservatives Kraftfeld
Arbeit wird verrichtet und verlusstfrei zurückgewonnen.
W
=
F
i
s
i
=
0
{\displaystyle W=F_{i}\,s_{i}=0}
Leistung
1
W
=
1
J
s
=
1
N
m
s
=
1
k
g
m
2
s
3
{\displaystyle 1\,\mathrm {W} =1\,{\frac {\mathrm {J} }{\mathrm {s} }}=1\,{\frac {\mathrm {Nm} }{\mathrm {s} }}=1\,{\frac {\mathrm {kg} \,\mathrm {m} ^{2}}{\mathrm {s} ^{3}}}}
P
=
W
˙
=
F
→
⋅
v
→
{\displaystyle P={\dot {W}}={\vec {F}}\cdot {\vec {v}}}
Hauptsätze der Thermodynamik
Energieerhaltungssatz
Wärme kann nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden
→ Abwärme ; absolute thermodynamische Temperatur
Wellen
T
Periodendauer
Amax - Amin
Schwankung
k
Kreiswellenzahl
c
Ausbreitungsgeschwindigkeit
f
=
1
T
{\displaystyle f={\frac {1}{T}}}
ω
=
2
π
f
=
φ
˙
{\displaystyle \omega =2\,\pi \,f={\dot {\varphi }}}
Sinusschwingung (harmonische Schwingung)
w
=
w
^
sin
(
k
t
−
ω
t
)
{\displaystyle w={\hat {w}}\,\sin \left(k\,t-\omega \,t\right)}
mit
λ
=
2
π
k
{\displaystyle \lambda =2\,\pi \,k}
c
=
ω
k
=
λ
f
=
λ
T
{\displaystyle c={\frac {\omega }{k}}=\lambda \,f={\frac {\lambda }{T}}}
Wellen in Festkörpern
Dispersion
unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtbrechung)
Ladung, Strom, Spannung
Ladungsdichte
elektrischer Strom
I
=
Q
˙
{\displaystyle I={\dot {Q}}}
magnetische Kraft zweier Leiter
1
C
=
1
A
s
{\displaystyle 1\,\mathrm {C} =1\,\mathrm {As} }
F
→
l
→
=
μ
0
I
1
I
2
2
π
r
→
{\displaystyle {\frac {\vec {F}}{\vec {l}}}=\mu _{0}\,{\frac {I_{1}\,I_{2}}{2\,\pi \,{\vec {r}}}}}
magnetische Feldkonstante
1
V
s
A
m
=
1
k
g
m
A
2
s
2
{\displaystyle 1\,{\frac {\mathrm {V} \,\mathrm {s} }{\mathrm {A} \,\mathrm {m} }}=1\,{\frac {\mathrm {kg} \,\mathrm {m} }{\mathrm {A} ^{2}\,\mathrm {s} ^{2}}}}
μ
0
=
4
π
10
−
7
V
s
A
m
{\displaystyle \mu _{0}=4\,\pi \,10^{-7}\,{\frac {\mathrm {V} \,\mathrm {s} }{\mathrm {A} \,\mathrm {m} }}}
Elektrische Spannung
1
V
=
1
m
2
k
g
s
3
A
{\displaystyle 1\,\mathrm {V} =1\,{\frac {\mathrm {m} ^{2}\,\mathrm {kg} }{\mathrm {s} ^{3}\,\mathrm {A} }}}
U
=
W
Q
=
E
i
s
i
{\displaystyle U={\frac {W}{Q}}=E_{i}\,s_{i}}
(Arbeit je Ladung; elektrische Feldstärke mal Strecke)
U
=
R
I
=
P
I
{\displaystyle U=R\,I={\frac {P}{I}}}
U
=
Δ
φ
{\displaystyle U=\Delta \varphi }
(Potenzialdifferenz)
Größe, Einheit, Dimension
wichtige Einheiten außerhalb SI
atomare Masseneinheit
1
u
≈
1,661
10
−
27
k
g
{\displaystyle 1\,\mathrm {u} \approx 1{,}661\,10^{-27}\,\mathrm {kg} }
Elektronenvolt
1
e
V
≈
1
,
602
10
−
19
J
{\displaystyle 1\,\mathrm {eV} \approx 1,602\,10^{-19}\,\mathrm {J} }
wichtige physikalische Konstanten
Lichtgeschwindigkeit
c
0
≈
300
⋅
10
6
m
s
{\displaystyle c_{0}\approx 300\cdot 10^{6}\,{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }}}
Elementarladung
e
≈
1,602
⋅
10
−
16
A
s
{\displaystyle e\approx 1{,}602\cdot 10^{-16}\,\mathrm {A} \,\mathrm {s} }
Ruhemasse des Elektrons
m
e
≈
9
,
11
⋅
10
−
31
k
g
{\displaystyle m_{e}\approx 9{,}11\cdot 10^{-31}\,\mathrm {kg} }
Ruhemasse des Protons
m
p
≈
1,673
⋅
10
−
27
k
g
{\displaystyle m_{p}\approx 1{,}673\cdot 10^{-27}\,\mathrm {kg} }
magnetische Feldkonstante
μ
0
=
4
π
⋅
10
−
7
V
s
A
m
{\displaystyle \mu _{0}=4\,\pi \cdot 10^{-7}\,{\frac {\mathrm {V} \,\mathrm {s} }{\mathrm {A} \,\mathrm {m} }}}
elektrische Feldkonstante
ε
0
=
1
μ
0
c
0
2
≈
8,854
p
F
m
{\displaystyle \varepsilon _{0}={\frac {1}{\mu _{0}\,c_{0}^{2}}}\approx 8{,}854\,{\frac {\mathrm {pF} }{\mathrm {m} }}}
Avogadro-Konstante
N
A
≈
6,022
⋅
10
23
1
m
o
l
{\displaystyle N_{A}\approx 6{,}022\cdot 10^{23}\,{\frac {1}{\mathrm {mol} }}}
Boltzmann-Konstante
k
≈
1,381
⋅
10
−
23
J
K
{\displaystyle k\approx 1{,}381\cdot 10^{-23}\,{\frac {\mathrm {J} }{\mathrm {K} }}}
Planck-Konstante
h
≈
6,626
⋅
10
−
34
J
s
{\displaystyle h\approx 6{,}626\cdot 10^{-34}\,\mathrm {J} \,\mathrm {s} }
magnetisches Moment des Elektrons
μ
e
≈
9,285
⋅
10
−
24
A
m
2
{\displaystyle \mu _{e}\approx 9{,}285\cdot 10^{-24}\,\mathrm {A} \,\mathrm {m} ^{2}}
Maxwell-Beziehung
ε
0
μ
0
c
0
2
=
1
{\displaystyle \varepsilon _{0}\,\mu _{0}\,c_{0}^{2}=1}
siehe auch:
Stromkreis
Kirchhoffsche Regeln
Kirchhoffsche Regel (Knotenregel)
∑
I
=
0
{\displaystyle \sum I=0}
Kirchhoffsche Regel (Maschenregel)
∑
U
=
0
{\displaystyle \sum U=0}
elektrischer Widerstand
U
=
R
I
{\displaystyle U=R\,I}
G
=
R
−
1
{\displaystyle G=R^{-1}}
(Leitwert )
P
=
R
I
2
=
U
2
R
{\displaystyle P=R\,I^{2}={\frac {U^{2}}{R}}}
spezifischer Widerstand (Resistivität ) ρ
R
=
ρ
⋅
l
A
{\displaystyle R=\rho \cdot {\frac {l}{A}}}
elektrische Leitfähigkeit (Konduktivität ) γ
γ
=
1
ρ
{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\rho }}}
Diode
U
D
=
U
D
′
+
I
D
⋅
R
B
{\displaystyle U_{D}=U'_{D}+I_{D}\cdot R_{B}}
R
B
=
0
,
1
…
10
Ω
{\displaystyle R_{B}=0{,}1\dots 10\,\mathrm {\Omega } }
(abhängig von der Größe der Diode)
U
B
R
=
0
,
65
…
0
,
7
V
{\displaystyle U_{BR}=0{,}65\dots 0{,}7\,\mathrm {V} }
siehe auch: Stern-Dreieck-Schaltung , Stern-Polygon-Transformation
elektrisches Feld
Φ
{\displaystyle \Phi }
magnetischer Fluss
W
b
=
T
m
2
=
V
s
{\displaystyle \mathrm {Wb} =\mathrm {T\,m^{2}} =\mathrm {V\,s} }
Q
{\displaystyle Q}
elektrische Ladung
A
s
=
C
{\displaystyle \mathrm {A\,s} =\mathrm {C} }
E
{\displaystyle E}
elektrische Feldstärke
V
m
{\displaystyle \mathrm {\frac {\mathrm {V} }{\mathrm {m} }} }
U
{\displaystyle U}
elektrische Spannung
V
{\displaystyle \mathrm {V} }
Ψ
{\displaystyle \Psi }
elektrischer Fluss
A
s
{\displaystyle \mathrm {A\,s} }
λ
{\displaystyle \lambda }
Linienladungsdichte
A
s
m
{\displaystyle \mathrm {\frac {A\,s}{m}} }
σ
{\displaystyle \sigma }
Flächenladungsdichte
A
s
m
2
{\displaystyle \mathrm {\frac {A\,s}{m^{2}}} }
ρ
{\displaystyle \rho }
Raumladungsdichte
A
s
m
3
{\displaystyle \mathrm {\frac {A\,s}{m^{3}}} }
D
{\displaystyle D}
elektrische Flussdichte
A
s
m
2
{\displaystyle \mathrm {\frac {A\,s}{m^{2}}} }
Ω
{\displaystyle \Omega }
Raumwinkel
s
r
=
1
{\displaystyle \mathrm {sr} =1}
C
{\displaystyle C}
elektrische Kapazität
F
=
C
V
=
A
s
V
{\displaystyle \mathrm {F} ={\frac {\mathrm {C} }{\mathrm {V} }}={\frac {\mathrm {A} \,\mathrm {s} }{\mathrm {V} }}}
ε
{\displaystyle \varepsilon }
Permittivität
F
m
=
C
V
=
A
2
s
4
k
g
m
2
{\displaystyle {\frac {\mathrm {F} }{\mathrm {m} }}={\frac {\mathrm {C} }{\mathrm {V} }}={\frac {\mathrm {A} ^{2}\,\mathrm {s} ^{4}}{\mathrm {kg} \,\mathrm {m} ^{2}}}}
ε
r
{\displaystyle \varepsilon _{r}}
Permittivitätszahl (relative Permittivität)
1
{\displaystyle 1}
elektrische Feldstärke
E
=
−
d
Φ
d
l
{\displaystyle \mathbf {E} =-{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} \mathbf {l} }}}
U
=
E
s
{\displaystyle \mathbf {U} =\mathbf {E} \,\mathbf {s} }
elektrischer Fluss , Influenz
Ψ
(
∂
V
)
=
Q
(
V
)
{\displaystyle \mathbf {\Psi } \left(\partial V\right)=\mathbf {Q} \left(V\right)}
(Satz des elektrischen Hüllenflusses)
Ψ
=
D
A
{\displaystyle \mathbf {\Psi } =\mathbf {D} \,\mathbf {A} }
Ladungsdichte
Q
=
ρ
V
=
σ
A
=
λ
l
{\displaystyle \mathbf {Q} =\mathbf {\rho } \,\mathbf {V} =\mathbf {\sigma } \,\mathbf {A} =\mathbf {\lambda } \,\mathbf {l} }
elektrische Flussdichte
D
=
Q
A
=
σ
e
r
=
ε
0
E
{\displaystyle \mathbf {D} ={\frac {Q}{\mathbf {A} }}=\mathrm {\sigma } \,\mathbf {e} _{r}=\varepsilon _{0}\,\mathbf {E} }
magnetischer Fluss
Φ
=
B
A
=
Q
ε
0
{\displaystyle \Phi =\mathbf {B} \,\mathbf {A} ={\frac {Q}{\varepsilon _{0}}}}
Punktladung
D
=
d
Ψ
d
A
=
Q
4
π
r
2
e
→
r
{\displaystyle \mathbf {D} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {\Psi } }{\mathrm {d} \mathbf {A} }}={\frac {Q}{4\,\pi \,r^{2}}}\,{\vec {e}}_{r}}
(A von Kugelkalotte)
E
=
D
ε
0
=
Q
4
π
r
2
ε
0
e
→
r
{\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {\mathbf {D} }{\varepsilon _{0}}}={\frac {Q}{4\,\pi \,r^{2}\,\varepsilon _{0}}}\,{\vec {e}}_{r}}
elektrische Kapazität
C
=
Q
U
{\displaystyle C={\frac {Q}{U}}}
Plattenkondensator
C
=
ε
0
A
l
{\displaystyle C=\varepsilon _{0}\,{\frac {A}{l}}}
Kugelkondensator
E
→
=
−
Δ
φ
Δ
l
→
=
1
ε
0
4
π
⋅
Q
r
→
(
r
→
+
Δ
r
→
)
{\displaystyle {\vec {E}}=-{\frac {\Delta \varphi }{\Delta {\vec {l}}}}={\frac {1}{\varepsilon _{0}\,4\,\pi }}\cdot {\frac {Q}{{\vec {r}}\,\left({\vec {r}}+\Delta {\vec {r}}\right)}}}
U
=
Q
ε
0
4
π
(
1
r
1
−
1
r
2
)
{\displaystyle U={\frac {Q}{\varepsilon _{0}\,4\,\pi }}\,\left({\frac {1}{r_{1}}}-{\frac {1}{r_{2}}}\right)}
C
=
ε
0
4
π
r
1
r
2
r
2
−
r
1
{\displaystyle C=\varepsilon _{0}\,{\frac {4\,\pi \,r_{1}\,r_{2}}{r_{2}-r_{1}}}}
im leeren Raum (
r
2
≫
r
1
{\displaystyle r_{2}\gg r_{1}}
):
C
=
ε
0
4
π
r
1
{\displaystyle C=\varepsilon _{0}\,4\,\pi \,r_{1}}
E
=
Q
ε
0
4
π
r
1
2
U
=
Q
ε
0
4
π
r
1
}
E
=
U
r
1
{\displaystyle \left.{\begin{matrix}E={\frac {Q}{\varepsilon _{0}\,4\,\pi \,r_{1}^{2}}}\\U={\frac {Q}{\varepsilon _{0}\,4\,\pi \,r_{1}}}\end{matrix}}\right\}E={\frac {U}{r_{1}}}}
Dielektrika
D
=
ε
E
{\displaystyle \mathbf {D} =\mathbf {\varepsilon } \,\mathbf {E} }
ε
=
ε
0
ε
r
{\displaystyle \mathbf {\varepsilon } =\varepsilon _{0}\,\mathbf {\varepsilon } _{r}}
siehe auch: Maxwellsche Gleichungen , elektrisches Feld , Van-de-Graaff-Generator
Kondensatoren
Q
=
C
U
{\displaystyle Q=C\,U}
I
=
Q
˙
{\displaystyle I={\dot {Q}}}
⇒
C
=
I
U
˙
{\displaystyle \Rightarrow C=I\,{\dot {U}}}
R-C-Reihenschaltung
U
=
U
C
+
U
R
{\displaystyle U=U_{C}+U_{R}}
I
=
C
U
˙
{\displaystyle I=C\,{\dot {U}}}
U
R
=
R
I
{\displaystyle U_{R}=R\,I}
I
=
U
n
a
c
h
−
U
v
o
n
R
e
−
t
τ
τ
=
R
C
{\displaystyle I={\frac {U_{nach}-U_{von}}{R}}\,e^{-{\frac {t}{\tau }}}\quad \tau =R\,C}
U
C
=
U
n
a
c
h
−
(
U
n
a
c
h
−
U
v
o
n
)
e
−
t
τ
{\displaystyle U_{C}=U_{nach}-\left(U_{nach}-U_{von}\right)\,e^{-{\frac {t}{\tau }}}}
Q
C
=
C
U
C
{\displaystyle Q_{C}=C\,U_{C}}
Umladung nach 5τ praktisch abgeschlossen.
verteilte elektrische Ströme
elektrische Stromdichte
J
→
=
I
A
→
{\displaystyle {\vec {J}}={\frac {I}{\vec {A}}}}
Flächenstromdichte
K
=
I
s
{\displaystyle K={\frac {I}{s}}}
Linienstrom
I
=
∑
I
l
{\displaystyle I=\sum I_{l}}
lokales Ohmsches Gesetz
U
l
=
ρ
I
A
⇒
E
→
=
ρ
J
→
⇔
J
→
=
γ
E
→
{\displaystyle {\frac {U}{l}}=\rho \,{\frac {I}{A}}\Rightarrow {\vec {E}}=\rho \,{\vec {J}}\Leftrightarrow {\vec {J}}=\gamma \,{\vec {E}}}
Leistung
P
=
U
I
=
R
I
2
=
G
U
2
{\displaystyle P=U\,I=R\,I^{2}=G\,U^{2}}
Joule-Verlusst
p
=
P
V
=
ϱ
J
2
=
γ
E
2
{\displaystyle p={\frac {P}{V}}=\varrho \,J^{2}=\gamma \,E^{2}}
V
=
A
l
{\displaystyle V=A\,l}
Berechnung elektrischer Felder
Eigenschaften elektrischer Felder
Semester 2
magnetische Effekte
Ferromagnetismus
wird von Magnet angezogen. (Eisen )
Paramagnetismus
wird nicht (kaum) von Magnet beeinflusst. (Aluminium )
Diamagnetismus
wird von Magnet abgestoßen. (Wismut )
Stromduchflossener Leiter erzeugt Magnetfeld
B
=
μ
0
I
2
π
r
→
{\displaystyle B={\frac {\mu _{0}\,I}{2\,\pi \,{\vec {r}}}}}
Stromdurchlossenes Element im Magnetfeld erfährt Kraft
F
=
I
l
→
×
B
→
{\displaystyle F=I\,{\vec {l}}\times {\vec {B}}}
Lorentz-Kraft
E
→
=
E
→
+
v
→
×
B
→
;
F
→
=
Q
E
→
{\displaystyle {\vec {E}}={\vec {E}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}};\ {\vec {F}}=Q\,{\vec {E}}}
F
→
=
Q
(
E
→
+
v
→
×
B
→
)
{\displaystyle {\vec {F}}=Q\,\left({\vec {E}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}}\right)}
(el. + magn. Anziehung)
Magnetische Spannung um Leiter
Flussquant (Fluxoid )
Φ
0
=
h
2
e
≈
2
,
07
⋅
10
−
15
W
b
{\displaystyle \Phi _{0}={\frac {h}{2\,e}}\approx 2{,}07\cdot 10^{-15}\,\mathrm {Wb} }
magnetischer Hüllenfluss
Φ
(
∂
V
)
=
0
{\displaystyle \Phi \left(\partial V\right)=0}
(→ keine magnetischen Monopole )
Verkettungsfluss (Flussverkettung )
Φ
v
=
Ψ
=
n
Φ
{\displaystyle \Phi _{v}=\Psi =n\,\Phi }
(n Wicklungen werden von magn. Fluss Φ durchflossen)
magnetischer Fluss , magnetische Flussdichte
Φ
(
A
)
=
∫
A
B
d
A
{\displaystyle \Phi \left(A\right)=\int _{A}B\ \mathrm {d} A}
magnetisches Vektorpotenzial
Φ
(
A
)
=
∫
A
d
s
{\displaystyle \Phi \left(A\right)=\int \mathbf {A} \ \mathrm {d} s}
(A ist Vektorfeld magnetischer Potenziale; bildet magnetische Potenzialflächen; s ist Kurvenabschitt)
magnetische Spannung um Leiter
Θ
(
A
)
=
α
2
π
I
{\displaystyle \Theta \left(A\right)={\frac {\alpha }{2\,\pi }}\,I}
Berechnung magnetischer Felder
H
=
I
×
r
2
π
r
2
{\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {I} \times {\frac {\mathbf {r} }{2\,\pi \,\mathbf {r} ^{2}}}}
B
=
I
×
μ
r
2
π
r
2
⇒
B
=
μ
H
{\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {I} \times {\frac {\mu \,\mathbf {r} }{2\,\pi \,\mathbf {r} ^{2}}}\Rightarrow \mathbf {B} =\mu \,\mathbf {H} }
μ
=
μ
r
⋅
μ
0
{\displaystyle \mu =\mu _{r}\cdot \mu _{0}}
μ
0
=
4
π
10
−
7
V
s
A
m
=
4
π
10
−
7
H
m
{\displaystyle \mu _{0}=4\,\pi \,10^{-7}\,\mathrm {\frac {V\,s}{A\,m}} =4\,\pi \,10^{-7}\,\mathrm {\frac {H}{m}} }
1
H
=
1
W
b
A
=
1
V
s
A
{\displaystyle 1\,\mathrm {H} =1\,\mathrm {\frac {Wb}{A}} =1\,\mathrm {\frac {V\,s}{A}} }
siehe auch: Joseph Henry
Verkettungsfluss
eine Induktivität mit mehreren gleichartigen Windungen
Φ
=
N
A
B
→
=
N
A
n
μ
0
I
l
=
L
I
{\displaystyle \Phi =N\,A\,{\vec {B}}=N\,A\,{\frac {n\;\mu _{0}\,I}{l}}=L\,I}
L
=
μ
0
A
N
2
l
{\displaystyle L={\frac {\mu _{0}\,A\,N^{2}}{l}}}
magnetische Kopplung
zwei Induktivitäten mit gegenseitiger Beeinflussung
für
I
2
=
0
{\displaystyle \,I_{2}=0}
gilt:
B
=
μ
0
H
=
μ
0
N
1
I
1
1
l
1
{\displaystyle B=\mu _{0}\,H=\mu _{0}\,N_{1}\,I_{1}\,{\frac {1}{l_{1}}}}
Φ
=
N
2
A
2
B
=
μ
0
N
1
N
2
A
2
I
1
l
{\displaystyle \Phi =N_{2}\,A_{2}\,B=\mu _{0}\,N_{1}\,N_{2}\,A_{2}\,I{\frac {1}{l}}}
L
1
,
2
=
μ
0
N
1
N
2
A
2
l
{\displaystyle L_{1,2}=\mu _{0}\,N_{1}\,N_{2}\,{\frac {A_{2}}{l}}}
dünne Hysterese weich magnetisch
H
C
>
0
,
5
k
A
m
{\displaystyle H_{C}>0{,}5\,\mathrm {\frac {kA}{m}} }
breite Hysterese hart magnetisch
H
C
<
0
,
5
k
A
m
{\displaystyle H_{C}<0{,}5\,\mathrm {\frac {kA}{m}} }
Hysterese
Sättigungsmagnetisierung
Die Steigungsrate im Kurvenverlauf stellt die magnetische Leitfähigkeit eines magnetischen Werkstoffes dar. Das Abflachen der Kurve im rechten oberen und linken unteren Bereich stellt den Beginn der für diesen Werkstoff typischen Sättigungsmagnetisierung dar.
Die Permeabilität µ ist Steigung der Hysteresiskurve. Es gilt:
μ
→
μ
(
H
)
{\displaystyle \mu \to \mu \left(H\right)}
Biot-Savart-Gesetz
Überlagerung der B-Felder einzelner Ladungen
Q in einem Punkt
P
B
(
P
)
=
μ
0
4
π
∫
i
Q
i
v
i
×
r
i
r
i
3
d
i
{\displaystyle \mathbf {B} \left(\mathbf {P} \right)={\frac {\mu _{0}}{4\,\pi }}\,\int _{i}{Q_{i}\,\mathbf {v} _{i}\times {\frac {\mathbf {r} _{i}}{\mathbf {r} _{i}^{3}}}}\mathrm {d} i}
Q
v
=
d
d
t
(
Q
s
)
=
I
s
{\displaystyle Q\,\mathbf {v} ={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left(Q\,s\right)=\mathbf {I} \,\mathbf {s} }
elektrische Größe
magnetische Größe
I
=
U
R
{\displaystyle I={\frac {U}{R}}}
Φ
=
Θ
R
m
{\displaystyle \Phi ={\frac {\Theta }{R_{m}}}}
R
=
l
γ
A
=
1
G
{\displaystyle R={\frac {l}{\gamma \,A}}={\frac {1}{G}}}
R
m
=
l
μ
A
=
1
G
m
{\displaystyle R_{m}={\frac {l}{\mu \,A}}={\frac {1}{G_{m}}}}
∑
I
=
0
{\displaystyle \sum I=0}
∑
Φ
=
0
{\displaystyle \sum \Phi =0}
∑
U
=
0
{\displaystyle \sum U=0}
∑
Θ
=
0
{\displaystyle \sum \Theta =0}
Eigenschaften magnetischer Felder
Satz des magnetischen Hüllenflusses
Φ
(
∂
V
)
=
B
n
+
A
+
B
n
−
A
=
0
{\displaystyle \Phi (\partial V)=B_{n}^{+}\,A+B_{n}^{-}\,A=0}
→
[
[
B
n
]
]
=
0
{\displaystyle \rightarrow [\![B_{n}]\!]=0}
→
[
[
A
→
t
]
]
=
0
→
{\displaystyle \rightarrow [\![{\vec {A}}_{t}]\!]={\vec {0}}}
Lokaler Satz des magnetischen Hüllenflusses
∇
B
→
=
0
{\displaystyle \nabla {\vec {B}}=0}
Durchflutungssatz
V
(
∂
A
)
=
I
(
A
)
{\displaystyle V\left(\partial A\right)=I\left(A\right)}
Elektromagnetische Induktion
Elektromagnetische Induktion
∇
×
E
+
B
˙
=
0
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} +{\dot {B}}=0}
U
+
Φ
˙
=
0
{\displaystyle U+{\dot {\Phi }}=0}
(Induzierte Spannung)
I
=
U
R
=
−
Φ
˙
R
{\displaystyle I={\frac {U}{R}}={\frac {-{\dot {\Phi }}}{R}}}
(Induzierter Strom)
U
=
R
I
+
Φ
v
˙
{\displaystyle U=R\,I+{\dot {\Phi _{v}}}}
(Anschlussgrößen und Änderrungsrate des Verkettungsfluss in Spule)
Wirbelstrom -Eindringtiefe
Wechselströme fließen nur bis zur Eindringtiefe (Skineffekt )
δ
=
2
ω
γ
μ
{\displaystyle \delta ={\sqrt {\frac {2}{\omega \,\gamma \,\mu }}}}
(Trafoblech muss dünner 2δ sein)
γ
elektrische Leitfähigkeit
μ
Permeabilität
Induktion in bewegten Leitern
E
v
=
E
0
+
v
→
×
B
{\displaystyle \mathbf {E} _{v}=\mathbf {E} _{0}+{\vec {v}}\times \mathbf {B} }
J
=
γ
E
v
{\displaystyle \mathbf {J} =\gamma \,\mathbf {E} _{v}}
(bewegtes lokales Ohmsches Gesetz)
Spule und Transformator
Φ
v
=
L
I
{\displaystyle \Phi _{v}=L\,I}
U
=
L
I
˙
{\displaystyle U=L\,{\dot {I}}}
induktiver Lade- und Entladevorgang
τ
=
L
R
{\displaystyle \tau ={\frac {L}{R}}}
(nach 5 τ ist Ladevorgang abgeschlossen)
U
L
(
t
)
=
(
U
2
−
U
1
)
e
−
t
τ
{\displaystyle U_{L}\left(t\right)=\left(U_{2}-U_{1}\right)\,e^{-{\frac {t}{\tau }}}}
I
(
t
)
=
U
2
−
U
L
(
t
)
R
{\displaystyle I\left(t\right)={\frac {U_{2}-U_{L}\left(t\right)}{R}}}
Trafogrundgleichung
(
U
1
U
2
)
=
(
L
11
L
12
L
21
L
22
)
(
I
˙
1
I
˙
2
)
{\displaystyle {\begin{pmatrix}U_{1}\\U_{2}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}L_{11}&L_{12}\\L_{21}&L_{22}\end{pmatrix}}\,{\begin{pmatrix}{\dot {I}}_{1}\\{\dot {I}}_{2}\end{pmatrix}}}
Kopplungsgrad
k
12
=
L
12
L
11
L
22
{\displaystyle k_{12}={\frac {L_{12}}{\sqrt {L_{11}\,L_{22}}}}}
M
=
k
L
1
L
2
{\displaystyle M=k\,{\sqrt {L_{1}\,L_{2}}}}
(
U
1
U
2
)
=
(
L
1
M
L
2
M
)
(
I
˙
1
I
˙
2
)
{\displaystyle {\begin{pmatrix}U_{1}\\U_{2}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}L_{1}&M\\L_{2}&M\end{pmatrix}}\,{\begin{pmatrix}{\dot {I}}_{1}\\{\dot {I}}_{2}\end{pmatrix}}}
Reihenschaltung
L
=
∑
k
L
k
{\displaystyle L=\sum _{k}L_{k}}
(Ersatzinduktivität, ungekoppelt)
L
=
L
1
+
L
2
+
2
M
{\displaystyle L=L_{1}+L_{2}+2\,M}
(Mitkopplung )
L
=
L
1
+
L
2
−
2
M
{\displaystyle L=L_{1}+L_{2}-2\,M}
(Gegenkopplung )
L
=
∑
k
,
l
L
k
l
{\displaystyle L=\sum _{k,l}L_{kl}}
(Ersatzinduktivität, gekoppelt)
Parallelschaltung
L
=
L
1
‖
L
2
‖
…
‖
L
k
{\displaystyle L=L_{1}\|L_{2}\|\dots \|L_{k}}
(ideal gekoppelt)
1
L
=
∑
k
1
L
k
{\displaystyle {\frac {1}{L}}=\sum _{k}{\frac {1}{L_{k}}}}
(ideal gekoppelt)
L
=
L
1
L
2
−
M
2
L
1
+
L
2
−
2
M
{\displaystyle L={\frac {L_{1}\,L_{2}-M^{2}}{L_{1}+L_{2}-2\,M}}}
(Mitkopplung)
L
=
L
1
L
2
−
M
2
L
1
+
L
2
+
2
M
{\displaystyle L={\frac {L_{1}\,L_{2}-M^{2}}{L_{1}+L_{2}+2\,M}}}
(Gegenkopplung)
Schwingung
Komplexe Wechselstromkreise
Resonanz
Mehrphasensystem
elektromagnetisches Feld
elektromagnetische Welle
Energie im Elektromagnetismus