Elektrotechnik – 1. Einführung

Luft- und Raumfahrttechnik Bachelor, 1. Semester

David Straub

Elektrotechnik – Straub

Organisatorisches

  • 🎓 Moodle-Kurs: tbd
  • 💬 Matrix-Raum: tbd
  • 🕥 Sprechstunde: tbd
  • 📖 Literatur
  • 🗒️ Vorlesungsskript Prof. Palme u.a.: https://palme.userweb.mwn.de/
    • ⚠️ Kapitelnummerierung weicht von diesem Kurs ab (Reihenfolge ist aber gleich!)
  • ✍️ Prüfung: schriftlich, 60 Minuten, keine Hilfsmittel
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So läuft jede Vorlesung ab

  • Montagsaufgabe (10 min): kleine Aufgabe zur Vorwoche, zu zweit
  • Theorie-Blöcke von max. 40 Minuten
  • Nach jedem Theorie-Block: 📝 Sie rechnen selbst – die Aufgaben sind vom Typ der Prüfungsaufgaben
  • ☕ Pause: immer 11:30–11:45
  • Mitschreiben: Tafelanschriebe ergänzen die Folien und sind prüfungsrelevant
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Gliederung des Kurses

  1. Einführung (Physikalische Größen, Einheiten)
  2. Das elektrische Feld (Ladungen, Kräfte, Felder, Potential, Spannung, Kondensatoren)
  3. Gleichstrom (Stromstärke, Widerstand, Stromkreisberechnungen, Energie, Leistung)
  4. Magnetismus (Feld in Vakuum und Materie, Kräfte, magnetischer Kreis)
  5. Elektromagnetische Induktion (Induktion, Selbstinduktion, Energie)
  6. Wechselstrom (Komplexe Wechselstromrechnung, Schaltungen, Leistung, Resonanz)
  7. Drehstrom (Dreiphasensystem)
  8. Schaltvorgänge an Kapazitäten und Induktivitäten
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1. Einführung

  1. Physikalische Größen
  2. Internationales Einheitensystem (SI)
  3. Rechnen mit Einheiten und Dimensionen
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Physikalische Größen

... sind messbare Eigenschaften eines Systems.

Skalare Größen: werden durch einen Zahlenwert und eine Einheit beschrieben.

Beispiele:

  • (Zeit)
  • (Masse)
  • (Temperaturdifferenz)
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Rechnen mit Einheiten

  • Nur Größen mit gleichen Einheiten können addiert oder subtrahiert werden

  • Bei Multiplikation/Division von Größen werden die Einheiten multipliziert/dividiert

Hinweis: im Textsatz werden Einheiten immer aufrecht geschrieben, Variablen kursiv.

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Vektorielle physikalische Größen

... sind physikalische Größen, die durch einen Betrag und eine Richtung beschrieben werden. Der Betrag wird durch einen Zahlenwert und eine Einheit beschrieben.

Der Zahlenwert des Betrags ist immer positiv.

Beispiele:

  • (Geschwindigkeit)
  • (Beschleunigung)
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Das Internationale Einheitensystem (SI)

Basisgröße Größensymbol Dimensionssymbol Einheit Einheitenzeichen
Zeit Sekunde s
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Elektrische Stromstärke Ampere A
Thermodynamische Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Lichtstärke Candela cd

Für die Elektrotechnik zentral: das Ampere – alle elektrischen Einheiten bauen darauf auf.

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Was ist eigentlich eine Basiseinheit?

Seit 2019 ist jede Basiseinheit über exakt festgelegte Naturkonstanten definiert – kein Urmeter, kein Urkilogramm mehr:

Konstante Beschreibung Exakter Wert Einheit
Strahlung des Caesium-Atoms 9 192 631 770 Hz
Lichtgeschwindigkeit 299 792 458 m/s
Planck-Konstante 6,62607015 × 10−34 J·s
Elementarladung 1,602176634 × 10−19 C
Boltzmann-Konstante 1,380649 × 10−23 J/K
Avogadro-Konstante 6,02214076 × 1023 mol⁻¹
Photometrisches Strahlungsäquivalent 683 lm/W
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Abgeleitete Einheiten

Von den Basisgrößen lassen sich durch mathematische Operationen abgeleitete Einheiten bilden.
Beispiele für abgeleitete Einheiten:

  • Kraft:
    (Newton)

  • Energie/Arbeit:
    (Joule)

  • Leistung:
    (Watt)

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🎯 Prüfungsklassiker: Basiseinheiten

In der Prüfung gibt es regelmäßig eine Tabelle wie diese:

Elektrische Größe Formelzeichen Einheit Basiseinheiten
Kraft N
Kapazität F ❓
Induktivität H ❓
Magn. Flussdichte T ❓

Strategie: nicht auswendig lernen, sondern aus einer bekannten Formel herleiten
(z.B. ).

Diese Tabelle füllt sich im Laufe des Semesters – am Ende jedes Kapitels ergänzen wir sie.

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📝 Jetzt sind Sie dran: Einheiten (10 min, zu zweit)

Aufgabe 1
a) Rechnen Sie um: in m/s.
b) Die kinetische Energie ist . Drücken Sie die Einheit von in Basiseinheiten aus und zeigen Sie: das ist genau 1 J.
c) Ein Triebwerk leistet für Minuten. Wie viel Energie in Joule?

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Dimensionsanalyse

Jede physikalische Größe hat – unabhängig von Einheit oder Zahlenwert – eine Dimension, die beschreibt, wie die Größe aus den Grundgrößen zusammengesetzt ist.

Beispiele:

  • Geschwindigkeit:
  • Kraft:
  • Winkel: (dimensionslos)

Beide Seiten einer Gleichung müssen dieselbe Dimension haben!

→ Der schnellste Fehler-Check in jeder Klausur: Einheiten am Ende prüfen.

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SI-Präfixe

Faktor Name Präfix Faktor Name Präfix
Dezi d Deka da
Zenti c Hekto h
Milli m Kilo k
Mikro µ Mega M
Nano n Giga G
Piko p Tera T

In der Elektrotechnik alltäglich: µF, nF, pF (Kondensatoren), mH (Spulen), kΩ, MΩ (Widerstände), mA, kV, MW ...

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µ & °C: praktische Tipps

  • Mikro: µ (griechischer Buchstabe "My")

    • Deutsches Tastaturlayout: AltGr + m

  • Grad Celsius: °C (Gradzeichen + Großbuchstabe C)

    • Deutsches Tastaturlayout: Shift + ^ + C

Nur in Systemen, die diese Schriftzeichen nicht unterstützen (ASCII), laut DIN 66030:2002-05:

  • µ -> u
  • °C -> Cel
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⚠️ Nicht-SI-Einheiten in der Luftfahrt ✈️

Immer noch weit verbreitet:

  • Flughöhe in Fuß 🦶
    • 1 ft = 0,3048 m
  • Entfernung in Seemeilen 🚢
    • 1 NM = 1852 m
  • Geschwindigkeit in Knoten 🪢
    • 1 kt = 1 NM/h = 1,852 km/h
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Mars Climate Orbiter

Was passiert, wenn man Einheiten verwechselt:

https://www.youtube.com/watch?v=MfavzjbZzl8

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Zusammenfassung: Einführung

  • Physikalische Größe = Zahlenwert × Einheit; Vektoren zusätzlich mit Richtung
  • 7 SI-Basiseinheiten – für uns zentral: das Ampere
  • Abgeleitete Einheiten aus Formeln herleiten können () – Prüfungsklassiker
  • Dimensionsanalyse: beide Seiten einer Gleichung müssen dieselbe Dimension haben → Fehler-Check
  • SI-Präfixe von p bis T sicher beherrschen
  • Luftfahrt: ft, NM, kt – Umrechnung in SI

Nächstes Kapitel: Das elektrische Feld – Ladungen, Kräfte und warum der Blitz einschlägt ⚡

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