Electricity and Magnetism

This undergraduate course covers the fundamentals of electricity and magnetism. Contents includes electrostatics, electric current, magnetic field, electromagnetic induction, and electromagnetic waves. Lectures are supplemented by in-class experiments and tutorials. The textbook “Physics for Scientists and Engineers” and video lectures are recommended. The course is given in German language.

Ziele und Methodik

Die Einführungsvorlesung Elektrotechnische und physikalische Grundlagen der Informationstechnik 1 (EPGI 1) vermittelt die wichtigsten Begriffe und Gesetzmäßigkeiten der Elektrizität und des Magnetismus.

Die Vorlesung ist in fünf Kapitel gegliedert:

  1. Elektrostatik
  2. Elektrischer Strom
  3. Magnetisches Feld
  4. Elektromagnetische Induktion
  5. Elektromagnetische Wellen

Besonderer Wert wird auf das Verständnis der physikalischen Phänomene und deren Zusammenhänge im Kontext einer einheitlichen Theorie des Elektromagnetismus gelegt.

Zur wissenschaftlichen Beschreibung und zur Lösung praktischer Probleme werden Methoden der höheren Mathematik verwendet. Fester Bestandteil der Vorlesung sind physikalische Experimente zur Veranschaulichung und die Erläuterung von Anwendungen in Natur und Technik. Eine zweistündige Übung vertieft die Vorlesungsinhalte durch Rechenaufgaben und studentische Kurzvorträge. Zu Ende des Semesters folgt eine Exkursion ins Deutsche Museum nach München.

Beispielfragestellungen sind: Welche Eigenschaften hat elektrische Ladung? Wie schnell fließt elektrischer Strom? Warum ist der magnetische Südpol der Erde im Norden? Was passiert, wenn man einen Magnet entzwei bricht? Warum erzeugt Strom ein magnetisches Feld? Wie funktioniert eine Batterie? Und ein Dynamo? Wie entstehen Funkwellen im Handy? Mit welchen vier Gleichungen lassen sich alle elektromagnetischen Phänomene beschreiben?

Klingelversuch

Klingelversuch zur Demonstration elektrostatischer Kräfte

Experiment zur Lorentzkraft

Experiment zur Lorentzkraft

Magnetisches Feld der Spule

Magnetisches Feld einer Spule


Voraussetzungen und Brückenkurse

Für Studierende des Bachelorstudiums Informationstechnik ist diese Lehrveranstaltung ein Pflichtfach und wird für das erste oder dritte Semester empfohlen. Weiterhin wird sie für Studierende der Studiengänge Angewandte Informatik und Technische Mathematik und Datenanalyse mit Interesse an Physik oder Elektro- und Informationstechnik empfohlen.

Zum Verständnis des Themengebiets und Lösen der Übungs- und Prüfungsaufgaben werden diverse mathematische Methoden angewendet. Zum Einsatz kommen insbesondere Vektorrechnung, Integralrechnung und die Lösung einfacher Differentialgleichungen.

Vorausgesetzt werden neben Grundfertigkeiten aus der Algebra und Geometrie die Beherrschung elementarer Funktionen, die Vektorrechnung im dreidimensionalen Raum sowie Differential- und Integralrechnung von Funktionen mit einer Variablen. In den Vorlesungen und Übungen eingeführt und geübt werden die Differentialrechnung von Funktionen mehrerer Variablen, Linien-, Flächen und Volumenintegrale sowie eine einfache Differentialgleichung.

Weiterhin werden Grundkenntnisse der Physik erwartet, nämlich Grundlagen der Kinematik, die Newtonschen Gesetze sowie Grundlagen zu Arbeit und Energie. Spezielle Kenntnisse aus der Elektrotechnik sind nicht erforderlich.

Allen Studienanfängern wird der Besuch der Brückenkurse

  • Elektrotechnische und physikalische Grundlagen der Informationstechnik
  • Elementare Mathematik

wärmstes empfohlen. Beide Kurse finden in den ersten Wochen des Wintersemesters statt und wiederholen einige Aspekte der Schulmathematik und Schulphysik. Darüber hinaus eignet sich das Lehrbuch Mathematik zum Studienbeginn zum Selbststudium.


Unterlagen

Foliensatz

Die Vorlesungsunterlagen bestehen aus einem ausführlichen Foliensatz (“Handouts”), dessen Inhalte in der Vorlesung mit einem Tablet vervollständigt werden. Die Studierenden schreiben auf ihrem Ausdruck oder einem eigenen Tablet mit.

Diese Form der Unterlagen wurde aus didaktischen Gründen gewählt; sie stellt erfahrungsgemäß eine sehr gute Lösung zwischen einem vollständigen Skriptum und einer reinen Tafelanschrift dar. Durch das moderate Mitschreiben prägen sich wichtige Begriffe und mathematische Herleitungen besser ein als bei einem vollständigen Foliensatz; gleichzeitig bleibt den Studierenden genügend Zeit zum Mitdenken während der Vorlesung.

Literatur

Zur Nachbereitung der Vorlesungen und Übungen eignet sich insbesondere das Physik-Buch von Douglas C. Giancoli (Pearson-Studium, 3. Auflage). Dieses deckt den in der Vorlesung behandelten Stoff thematisch sehr gut ab. Internationalen Studierenden steht die englischsprachige Originalausgabe Physics for Scientists and Engineers (Prentice-Hall) zur Verfügung.

Eine Liste mit weiteren Literaturempfehlungen, die in der Vorlesung vorgestellt wird, ergänzt das Angebot. Alle Bücher sind in der Universitätsbibliothek Klagenfurt vorhanden und können ausgeliehen werden.

Termine

Die Vorlesung findet im Wintersemester (Anfang Oktober bis Ende Januar) wöchentlich statt. Die Vorlesungsdauer beträgt 120 Minuten. Die Termine können Sie als iCalendar-Feed abonnieren.

Videovorlesung

Die Videovorlesungen Electricity and Magnetism von Walter Lewin dienen Studierenden zur Vertiefung des Stoffs. Die Vorlesungen enthalten neben Erklärungen der physikalischen Phänomene eine Vielzahl von Experimenten und mathematischen Herleitungen. Alle Vorlesungen sind auf YouTube.com verfügbar.

Formelsammlungen

Es gibt eine Formelsammlung zur Vorlesung und eine Umrechnungstabelle für Koordinatensysteme. Weiterhin kann das Büchlein Formeln + Hilfen zur Höheren Mathematik hilfreich sein.

Community

Es wird eine Online-Community bereitgestellt, in welche hilfreiche Materialien von Studierenden gepostet werden können.

Verwendung mathematischer Software

Viele der in der Vorlesung besprochenen physikalischen Phänomene, Gesetzmäßigkeiten und Beispiele lassen sich mithilfe mathematisch-naturwissenschaftlicher Software berechnen und visualisieren. Studierende können mithilfe solcher Software die Vorlesungsinhalte vertiefen, bekommen durch die Interaktivität ein tieferes Verständnis, und lernen dabei ein Software-Tool ihrer Wahl kennen, das sie im Laufe ihrer gesamten Laufbahn einsetzen können.

Zur Anregung wurde eine Sammlung an Beispielen mit dem Wolfram-Softwarepaket Mathematica bzw. der Online-Plattform Alpha erstellt. Für Studierende bietet die Universität Klagenfurt eine Studierendenlizenz für Mathematica an, die über den ZID zu beziehen ist.

Zusatzmaterialen

Es wurde eine Sammlung an Zusatzmaterialien zusammengestellt, die den Stoff der Vorlesung ergänzen. Diese Sammlung beinhaltet u.a. Videos zu folgenden Themen: Was passiert wenn das Erdmagnetfeld verschwindet? Was war der Äther? Gibt es Überlichtgeschwindigkeit? Was ist Licht? Wie funktioniert eine MRT? Was ist ein Memristor?


Inhalte und Folien

Einführung und Überblick   Download PDF

  • Fachliche Einführung
  • Überblick zur Vorlesung
  • Physikalische Grundbegriffe
  • Organisatorisches
  • Literatur

Videos zur Einführung

Mathematische Grundlagen   Download PDF

  • Algebra und Geometrie
  • Elementare Funktionen
  • Vektorrechnung und Koordinatensysteme
  • Differentialrechnung: Funktionen einer Variable, mehrerer Variablen
  • Integralrechnung: Einfache Integrale; Linien-, Flächen-, Volumenintegrale
  • Einfache Differentialgleichungen

Allgemeine Grundlagen

1. Elektrostatik   Download PDF

  • Elektrische Ladung
  • Kräfte zwischen Ladungen
  • Elektrische Feldstärke
  • Arbeit, Spannung und Potential
  • Elektrische Erregung
  • Kontinuierliche Ladungsverteilungen
  • Elektrischer Fluss und eingeschlossene Ladung
  • Kapazität und Kondensatoren
  • Elektrostatik in Natur und Technik

pdf Übungssammlung

2. Elektrischer Strom   Download PDF

     Physikalische Grundlagen

  • Stromstärke und Stromdichte
  • Ladungsträgerbewegung
  • Widerstand und Ohmsches Gesetz
  • Stromquelle: Die elektrische Batterie

     Einfache Schaltungen

  • Kirchhoffsche Regeln
  • Schaltungen mit Quellen und Widerständen
  • Schaltungen mit Quellen, Widerständen und Kondensatoren

pdf Übungssammlung

3. Magnetisches Feld   Download PDF

  • Magnete
  • Magnetisches Feld und Lorentzkraft
  • Magnetischer Fluss und magnetische Erregung
  • Magnetfelder bewegter Ladungen
  • Magnetische Materialien
  • Magnetische Felder in Natur und Technik

pdf Übungssammlung

4. Elektromagnetische Induktion   Download PDF

     Physikalische Grundlagen

  • Erzeugt ein Magnetfeld einen elektrischen Strom?
  • Gesetze zur elektromagnetischen Induktion
  • Zusammenhang zwischen E- und B-Feld

     Elektrotechnik

  • Induktivität und Spule
  • Schaltungen mit Spulen: Ein- und Ausschaltvorgang
  • Gegeninduktivität
  • Technische Anwendungen der Induktion

pdf Übungssammlung

Memristor

5. Elektromagnetische Wellen   Download PDF

  • Zusammenhang zwischen E- und B-Feld (2)
  • Erzeugung elektromagnetischer Wellen
  • Eigenschaften elektromagnetischer Wellen (Form und Ausbreitungsrichtung, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Elektromagnetisches Spektrum, Energie und Leistung)
  • Die Maxwellschen Gleichungen in integraler Form
  • Elektromagnetische Wellen in Natur und Technik

pdf Übungssammlung


Herleitung und Verständnis der Maxwell-Gleichungen

Als ergänzende Literatur zu den Maxwell-Gleichungen eignet sich das Buch A Student’s Guide to Maxwell’s Equations von Daniel Fleisch (Cambridge University Press). Dort wird jede Gleichung Schritt für Schritt erklärt.

In dem folgenden Video werden die Maxwell-Gleichungen in integraler Form hergeleitet und somit die wichtigsten theoretischen Inhalte und Formelbeziehungen der Vorlesung wiederholt. Es spricht Bob Eagle in sehr verständlicher englischer Sprache.

Musterprüfungen

Februar 2010: Widerstandsschaltung, Unipolarmaschine, Elektrisches Feld einer Ladungswolke, Massenspektrometer

Februar 2009: Widerstandsschaltung, Spule im Magnetfeld, Gaußsches Gesetz der Elektrostatik, Magnetfeld einer Hochspannungsleitung, Vermischte Fragen

Februar 2008: Analyse einer RC-Schaltung, Elektrisches Feld eines geladenen Kunststoffringes, Magnetfeld im Wasseratom, Vermischte Fragen zu elektromagnetischen Wellen

Januar 2007: Experimentelle Bestimmung der Elementarladung, Induktivität einer kreisförmigen Leiterschleife, Modellierung einer Nervenzelle