Themen dieses Kurses

  • Elektrotechnische und Physikalische Grundlagen der Informationstechnik 1

    Univ.-Prof. Dr. Christian Bettstetter, Alpen-Adria-Universität Klagenfurt

    Ziele und Inhalte

    Die Einführungsvorlesung EPGI~1 vermittelt die wichtigsten elektrophysikalischen Grundlagen der Informationstechnik. Dabei werden Begriffe und Gesetzmäßigkeiten der Elektrizität und des Magnetismus behandelt, einfache Schaltungen analysiert sowie in die elektromagnetische Feldtheorie eingeführt:
    1. Elektrostatik
    2. Elektrischer Strom
    3. Magnetisches Feld
    4. Elektromagnetische Induktion
    5. Elektromagnetische Wellen
      Fester Bestandteil der Vorlesung sind physikalische Experimente sowie die Erläuterung von Anwendungen in Natur und Technik. Eine zweistündige Übung vertieft die eingeführten Inhalte durch Rechenaufgaben und studentische Kurzvorträge. Zu Ende des Semesters folgt eine Exkursion ins Deutsche Museum nach München.

      Methodik

      Es wird Wert 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. Zur Veranschaulichung dient eine Vielzahl von physikalischen Experimenten.

      Beispielfragestellungen:

      • Wie schnell fließt elektrischer Strom?
      • Warum ist der magnetische Südpol der Erde im Norden?
      • Was passiert, wenn man einen Magnet entzwei bricht?
      • Wie funktioniert eine Batterie? Und ein Dynamo?
      • Wie entstehen Funkwellen im Handy?
      • Mit welchen vier Gleichungen lassen sich alle elektromagnetischen Phänomene beschreiben?

      Voraussetzungen und Brückenkurse

      Für Studierende des Bachelor-Studiums Informationstechnik ist diese Lehrveranstaltung ein Pflichtfach. 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 mathematische Methoden angewendet. Zum Einsatz kommen insbesondere Vektorrechnung, Differentialrechnung, Integralrechnung, und die Lösung einfache 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.

      Für Studienanfänger wird der Besuch der Brückenkurse

      • Elektrotechnische und physikalische Grundlagen der Informationstechnik
      • Mathematik
      empfohlen, welche in den ersten Wochen des Wintersemesters einige Aspekte der Schulmathematik und -physik wiederholen. Das Lehrbuch Mathematik zum Studienbeginn eignet sich zum Selbststudium.

      In den Vorlesungen und Übungen eingeführt und geübt werden die Differentialrechnung von Funktionen mehrerer Variablen, Linien-, Flächen und Volumenintegrale sowie eine einfache Differentialgleichung.

      Unterlagen

      Foliensatz

      Die Vorlesungsunterlagen bestehen aus einem ausführlichen Foliensatz ("Handouts"), dessen Inhalte in der Vorlesung mit einem TabletPC vervollständigt werden. Die Studierenden schreiben auf dem Ausdruck der Unterlagen oder einem eigenen TabletPC mit. Diese Form der Unterlagen wurde aus didaktischen Gründen gewählt; sie stellt einen Kompromiss zwischen einem vollständigen Skriptum und einer reinen Tafelanschrift dar.

      Literatur und Videovorlesung mit Experimenten

      Zur Vor- und Nachbereitung zu Hause dient insbesondere das Buch "Physik" von Giancoli und eine Videovorlesung, die beide thematisch sehr gut den behandelten Stoff abdecken. Internationalen Studierenden steht die englischsprachige Originalausgabe zur Verfügung. Eine Liste mit weiteren Literaturempfehlungen ergänzt das Angebot. Alle Bücher sind in der Universitätsbibliothek vorhanden.

      Formelsammlungen

      Musterprüfungen

      • Prüfung im Februar 2010: Widerstandsschaltung, Unipolarmaschine, Elektrisches Feld einer Ladungswolke, Massenspektrometer
      • Prüfung im Februar 2009: Widerstandsschaltung, Spule im Magnetfeld, Gaußsches Gesetz der Elektrostatik, Magnetfeld einer Hochspannungsleitung, Vermischte Fragen
      • Prüfung im Februar 2008: Analyse einer RC-Schaltung, Elektrisches Feld eines geladenen Kunststoffringes, Magnetfeld im Wasseratom, Vermischte Fragen zu elektromagnetischen Wellen
      • Prüfung im Januar 2007: Experimentelle Bestimmung der Elementarladung, Induktivität einer kreisförmigen Leiterschleife, Modellierung einer Nervenzelle

    1. 0

      Einführung und Überblick
      • Fachliche Einführung und Überblick
      • Physikalische Grundbegriffe
      • Organisatorisches
      • Literatur
      • Wie Sie das Beste aus EPGI herausholen
      Mathematische Grundlagen
      • Grundfertigkeiten aus Algebra und Geometrie
      • Elementare Funktionen
      • Vektorrechnung und Koordinatensysteme
      • Differentialrechnung: Funktionen einer Variable, Funktionen mehrerer Variablen
      • Integralrechnung: Einfache Integrale; Linien-, Flächen-, Volumenintegrale
      • Einfache Differentialgleichungen

    2. 1

      Elektrostatik
      • 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

    3. 2

      Elektrischer Strom

      Physikalische Grundlagen
      • Stromstärke und Stromdichte
      • Ladungsträgerbewegung
      • Widerstand und Ohm'sches Gesetz
      • Stromquelle: Die elektrische Batterie
      Einfache Schaltungen
      • Kirchhoff'sche Regeln
      • Schaltungen mit Quellen und Widerständen
      • Schaltungen mit Quellen, Widerständen und Kondensatoren

    4. 3

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

    5. 4

      Elektromagnetische Induktion

      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

    6. 5

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