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 Einführungslehrveranstaltung Elektrotechnische und physikalische Grundlagen der Informationstechnik 1 (EPGI 1) vermittelt die wichtigsten 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 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. Ein zweistündiger Übungskurs und ein studentisches Tutorium vertiefen die Vorlesungsinhalte durch Rechenaufgaben, zusätzliche Experimente und studentische Kurzvorträge. Zum Ende des Semesters erfolgt 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?

Experiment zur Lorentzkraft

Experiment zur Lorentzkraft

Termine

Die Vorlesung findet im Wintersemester (Anfang Oktober bis Ende Januar) wöchentlich und an einem Zusatztermin zu Beginn des Semesters statt. In der Regel sind dies 14 Termine. Die Vorlesungsdauer beträgt 120 Minuten. Alle Termine können Sie dieser Übersicht entnehmen und als iCalendar-Feed abonnieren. Die ganztägige Exkursion findet am Ende des Semesters statt.

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Voraussetzungen und Brückenkurs

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

Zum Verständnis des Themengebiets und zum Lösen der Übungs- und Prüfungsaufgaben werden diverse mathematische Methoden angewendet. Zum Einsatz kommen insbesondere die Vektor- und Integralrechnung im dreidimensionalen Raum.

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

Weiterhin werden Grundkenntnisse aus der Physik erwartet, nämlich die Grundlagen der Mechanik. Spezielle Kenntnisse aus der Elektrotechnik sind nicht erforderlich.

Allen Studienanfängern wird der Besuch des Brückenkurses zu den elektrotechnischen und physikalischen Grundlagen wärmstes empfohlen. Dieser findet in den ersten Wochen des Wintersemesters statt und wiederholt Aspekte der Schulphysik und -mathematik.

Zum Selbststudium der wichtigsten Begriffe der Physik eignet sich das Büchlein Physik für die Westentasche (Harald Lesch), welches auch als Hörbuch erhältlich ist, zum Beispiel bei Apple Music, Deezer und Spotify. Für die Grundlagen der Mathematik ist das Lehrbuch Mathematik zum Studienbeginn (Arnfried Kemnitz) passend.

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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 Kurse eignet sich insbesondere das Lehr- und Übungsbuch Physik von Douglas C. Giancoli (Pearson-Studium). Dieses deckt den in der Vorlesung behandelten Stoff thematisch sehr gut ab. Zudem steht die englischsprachige Originalausgabe Physics for Scientists and Engineers zur Verfügung.

Als alternative und vertiefende Literatur wird das umfangreiche Lehrbuch Experimentalphysik 2 von Wolfgang Demtröder empfohlen. Kompaktere Beschreibungen bieten die Bücher Gerthsen Physik (Hrsg. Dieter Meschede) und Relativistische Physik – Von der Elektrizität zur Optik von Klaus Lüders. Für die ersten Kapitel kann das Buch Grundlagen der Elektrotechnik 1 von Manfred Albach verwendet werden. Alle Bücher sind in der Universitätsbibliothek Klagenfurt vorhanden.

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 verfügbar.

Experimente

In den Vorlesungen und Übungskursen werden viele physikalische Experimente gezeigt und mit den Studierenden diskutiert. Diese Versuche sind auch als Kurzvideos online zu sehen und in folgender YouTube-Playlist zusammengefasst.

Verwendung mathematischer Software

Viele besprochene physikalische Phänomene, Gesetzmäßigkeiten und Beispiele lassen sich mithilfe mathematisch-naturwissenschaftlicher Software berechnen und visualisieren. Studierende können damit die Inhalte vertiefen, bekommen durch die Interaktivität ein tieferes Verständnis, und lernen ein Software-Tool 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. Die Universität Klagenfurt bietet eine Studierendenlizenz an, die einfach online über den ZID zu beziehen ist.

Formelsammlungen

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

Feedback von Studierenden

“[Der] Lehrinhalt wird sehr verständlich erklärt.”; “Angenehme Atmosphäre”; “Sehr guter Vortragender, Stoff wird sehr verständlich vorgetragen, angenehmes Tempo.”; “Interessante und übersichtliche Gestaltung der Folien. Vorlesungen werden angenehm vorgetragen. (Sind nicht trocken)!”; “Bettstetter ist immer gut gelaunt, motiviert und freundlich.” (2017–19)

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Inhalte und Folien

0. Einführung und Überblick

Einleitung und Überblick   Download PDF

  • Inhaltlicher Überblick
  • Fachliche Einleitung
  • Didaktisches Konzept
  • Voraussetzungen in der Mathematik
  • Voraussetzungen in der Physik
  • Literatur und sonstige Unterlagen

Die Termine können Sie dieser Übersicht entnehmen und als iCalendar-Feed abonnieren.

Mathematische Grundlagen   Download PDF

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

Grundbegriffe aus der Physik   Download PDF

  • Physikalische Größen und Einheiten
  • Größenverhältnisse in der Natur
  • Grundbegriffe der Mechanik
  • Literatur und Videos

Materialien

Kapitel 1. Elektrostatik   Download PDF

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

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Klingelversuch

Kapitel 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

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Interessante Fragen


Kapitel 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

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Interessante Fragen

Kapitel 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

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Memristor

Kapitel 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

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Interessante Fragen

Herleitung und Verständnis der Maxwell-Gleichungen

In folgendem, sehr empfehlenswerten 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 deutlicher englischer Sprache.

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


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Musterprüfungen

  • Februar 2018: Elektrisches Feld einer Kugel, Reale Spannungsquelle, Spule mit Widerstand und Kondensator, Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters, Vermischte Fragen
  • 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

Lust auf mehr?

Zur weiteren Vertiefung eignen sich die Bücher Electricity and Magnetism von Edward M. Purcell und David J. Morin sowie The Feynman Lectures on Physics (Volume II), die beide weit über die Inhalte dieser Vorlesung hinausgehen.