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Lehre

Lehrveranstaltungen des Lehrstuhls

14.01.2015

In den Lehrveranstaltungen sollen die Studierenden die theoretischen Grundlagen der Elektrotechnik und zugehörige Vertiefungen in ausgewählten meist forschungsnahen Themengebieten kennenlernen. Sie sollen zudem auf eine spätere Berufstätigkeit in der Forschung oder in der industriellen Anwendung vorbereiten. Die Ausbildung zielt daneben auf die Vermittlung der Fähigkeit, mathematische Modelle für die vielfältigen Problemstellungen im Bereich der Elektrodynamik zu abstrahieren und die wichtigsten zugehörigen Lösungsverfahren kennenzulernen. Die kritische Auseinandersetzung mit den verschiedenen theoretischen Konzepten wird dabei ebenso gefördert wie die Fähigkeit, neue eigene Ideen zu entwickeln.

 
Vorlesungsmaterialien:

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Bachelor

Lehrveranstaltungen im Bachelor-Studiengang

 

Elektromagnetische Verträglichkeit

Dozent

Prof. Dr.-Ing. L. Klinkenbusch

Zielgruppe

Studierende der Elektrotechnik und Informationstechnik im Hauptstudium
Studierende mit Nebenfach Elektrotechnik und Informationstechnik

Beschreibung

Jedes in der Europäischen Union in den Verkehr gebrachte elektrische Gerät muss "elektromagnetisch verträglich" sein. Das heißt, es darf weder andere Geräte noch die Umwelt in unzulässiger Weise beeinflussen. Andererseits muss es auch in einer elektromagnetisch in definiertem Maße "belasteten" Umgebung noch einwandfrei funktionieren. 
Diese EMV-Problematik ist so alt wie die Elektrotechnik selbst, gleichwohl hat sie in den letzten Jahrzehnten eine besondere Bedeutung erlangt. Dies hängt vor allem mit der rasanten Entwicklung von Geräten in der Elektronik und Nachrichtentechnik zusammen, welche gleichermaßen als Quelle von Störgrößen wie auch als empfindliche Störsenken wirken können. Daneben wird in den letzten Jahren die mögliche Beeinflussung der nichttechnischen Umwelt durch elektrotechnische Produkte (z.B. Hochspannungsanlagen, Mobiltelefone) intensiv in der Gesellschaft diskutiert.
Die auf dem Gebiet ausgebildeten Ingenieurinnen und Ingenieure sollen in der Lage sein, mögliche EMV-Probleme schon in der Planungsphase zu erkennen und zu vermeiden, sowie Methoden zur Behebung von solchen Problemen anzuwenden und gegebenenfalls zu entwickeln.

Inhalt
Einführung

Begriffe und Definitionen, Modellbildung, Kopplungsarten, Einteilung der EMV-Probleme

Schirme und Filter

Schirmung bei elektro- und magnetostatischen Feldern, bei magnetischen Wechselfeldern sowie bei elektromagnetischen Wellen, Behandlung von Schirmöffnungen, Frequenzselektive Filter, Potentialtrenner und Spannungsbegrenzer, Kabelschirmung

EMV-Messtechnik

Messung emittierter Spannungen und Ströme, Messung emittierter elektromagnetischer Felder, Antennen für EMV-Messzwecke, Suszeptibilitätsmessung bei leitungs- und strahlungsgebundenen Störgrößen

EMV eines Systems

Phasen der EMV-Planung, Modellbildung, systematische Vorgehensweise bei komplexen Systemen

Elektromagnetische Verträglichkeit der Umwelt - EMVU

Problemstellung, Beispiele, Stand der Diskussion

Literatur/ Skript

Ein gedrucktes Skript wird in der Vorlesung verteilt.

Hinweis

Zur Lösung der Übungsaufgaben werden Laptops zur Verfügung gestellt.

 

Elektromagnetische Felder I

Dozenten

Prof. Dr.-Ing. L. Klinkenbusch  und Mitarbeiter

Zielgruppe

Studierende im Bachelorstudiengang Elektrotechnik und Informationstechnik Studierende mit Nebenfach Elektrotechnik und Informationstechnik

Inhalt

Grundlagen der Feldtheorie:

Mathematische Grundlagen (Vektorrechnung, Integralsätze), Maxwellsche Gleichungen, Materialgleichungen, Randbedingungen

Elektrostatik:

Definition, Feldgleichungen, Potential, Poisson- und Laplacegleichung, Coulombintegral, Spiegelungsmethode, Eindeutigkeitssatz, Kapazität, Potential- und Kapazitätskoeffizienten, Dipol, Punktdipol, Polarisation, elektrische Doppelschicht, Energie und Kräfte im elektrischen Feld.

Stationäre Felder:

Definition, Feldgleichungen, Elektrisches Feld stationärer Ströme (Felder im Leiter, Ohmsches Gesetz, Grenzbedingungen, Kirchhoffsche Gleichungen, Dualität Leitwert - Kapazität); Magnetisches Feld stationärer Ströme (Durchflutungsgesetz, Vektorpotential, Biot-Savartsches Gesetz, magnetischer Dipol, Magnetisierung).

Literatur

Ein Verzeichnis wird in der Vorlesung verteilt.

 

Elektromagnetische Felder II

Dozenten

Prof. Dr.-Ing. L. Klinkenbusch  und Mitarbeiter

Zielgruppe

Studierende im Bachelorstudiengang Elektrotechnik und Informationstechnik Studierende mit Nebenfach Elektrotechnik und Informationstechnik

Inhalt

Langsam veränderliche elektrische und magnetische Felder:

Langsame elektrische Ausgleichsvorgänge, Induktionsgesetz, magnetische Feldenergie, Induktionskoeffizienten, Kräfte im magnetischen Feld

Schnellveränderliche elektromagnetische Felder:

Maxwellsche Gleichungen, Ebene Wellen, Phasengeschwindigkeit, Polarisation, Dispersion, Gruppengeschwindigkeit, Poynting-Vektor, Wellenleiter (TEM, TE, TM), Dielektrischer Wellenleiter, Elektrodynamische Potentiale, Lorenz-Eichung, Hertzscher und Fitzgeraldscher Dipol, Reziprozität

Quasistationäre Felder:

Definitionen, Eichungen, verschiebungsstromfreies quasistationäres Feld und wirbelstromfreies quasistationäres Feld

Literatur

Ein Verzeichnis wird in der Vorlesung verteilt.

 


 

 



Master

Lehrveranstaltungen im Master-Studiengang

 

Tomographische Verfahren in der Medizin

Dozent

Prof. Dr.-Ing. L. Klinkenbusch

Inhalt

Einführung:

  • Überblick und Einteilung bildgebender und tomographischer Verfahren
  • Geschichte der bildgebenden Verfahren

Impedanz-Tomographie:

  • Prinzip der Impedanz-Tomographie
  • Grundlegende Gleichungen
  • Elektroden, Stromquellen, Messverstärker
  • Bildrekonstruktionsverfahren

Computertomographie (CT):

  • Prinzip der CT
  • Systemtheoretische Grundlagen (mehrdimensionale Fourier Transformation, Faltung, Korrelation, Modulation-Transfer-Function (MTF), Abtasttheorem, Rauschen)
  • Digitale Bildverarbeitung
  • Radon-Transformation
  • Röntgen-Detektoren
  • CT-Rekonstruktionsverfahren
  • CT-Artefakte

Magnetresonanztomographie (MRT):

  • Prinzip der MRT
  • Physikalische Grundlagen (Magnetischer Kreisel, Präzession, Kernspin, Spin-Gitter und Spin-Spin-Relaxation, Blochsche Gleichungen, Spin-Echos)
  • Tomographische Verfahren (Selektive Anregung, Frequenz- und Phasenkodierung, Abtastverfahren)
  • Aufbau eines MR-Tomographen
  • Funktionelle MRT (fMRT)

 

 

Felder und Wellen in biologischen Systemen

Dozent

Prof. Dr.-Ing. L. Klinkenbusch

Zielgruppe

Studierende der Elektrotechnik und Informationstechnik im Hauptstudium,
Studierende mit Nebenfach Elektrotechnik und Informationstechnik

Inhalt

Einführung

Maxwellsche Gleichungen, stationäres Strömungsfeld, wirbelfreie quasistationäre Felder, Diffusion, Nernst-Planck-Gleichung

Zellmodelle

Diffusion und Ionenstrom in der Zellmembran, Ionenkanäle, Natrium-Kalium-Pumpe, Nernst Potentiale, elektrisches Ersatzschaltbild, Hodgkin-Huxley-Modell für erregbare Zellen

Nervenzellen

Funktion, Kabelgleichung, Ausbreitung längs eines Axons

Felder, Wellen und Herzfunktion

Anatomie, Elektrisches System des Herzens, Elektrokardiographie, Magnetokardiographie, Herzschrittmacher

Felder, Wellen und Hirnfunktion

Anatomie, Elektroenzephalographie, Magnetoenzephalographie, Tiefe Hirnstimulation

Elektromagnetische Wellen in biologischen Systemen

Lichtwahrnehmung, Mikrowellenwirkung auf biologisches Gewebe, Hyperthermie Therapie, Magnetresonanztomographie

Hinweis

Zur Lösung von Übungsaufgaben mit numerischen Verfahren werden Laptops zur Verfügung gestellt.

Skript

Ein vollständiges gedrucktes Skript wird im Laufe der Veranstaltung verteilt.

Literaturhinweise

werden im Laufe der Veranstaltung gegeben.

 

Numerische Feldberechnung

Dozent

Prof. Dr.-Ing. L. Klinkenbusch

Zielgruppe

Studierende der Elektrotechnik und Informationstechnik im Hauptstudium,
Studierende mit Nebenfach Elektrotechnik und Informationstechnik

Inhalt

Maxwellsche Gleichungen

Integralform, Differentialform, Materialgleichungen verschiedener Medien: nichtlinear, inhomogen, anisotrop, dispersiv

Methode der Finiten Differenzen

Eindimensionales Beispiel: Wellengleichung, Lösung der Maxwellschen Gleichungen im Zeitschrittverfahren (FDTD: Finite Difference Time-Domain): Numerische Dispersion, Stabilität, Simulation von Streu- und Freiraumproblemen (PML: perfectly matched layer), effiziente Modellierung spezieller Strukturen (sub-celling, sub-gridding), numerische Behandlung eines dispersiven Mediums, Aufbau (und Verteilung) eines 3-D FDTD Codes in FORTRAN

Beispiel: Demonstration der FDTD-Methode

Methode der Finiten Elemente

Eindimensionales Beispiel: Poisson-Gleichung (Definition eines Finiten Elements, Galerkin-Verfahren, Einführung in Variationsverfahren, geeignete Funktionale, Ritzsches Verfahren), Zweidimensionale Probleme (Diskretisierung, skalare und vektorielle Finite Elemente auf Dreiecken, geeignete Funktionale, typische Probleme), Dreidimensionale Probleme (Diskretisierung, skalare und vektorielle Finite Elemente auf Tetraedern, geeignete Funktionale, typische Probleme)

Iterative Lösung linearer Gleichungssyteme

Splitting-Verfahren, Verfahren der konjugierten Gradienten

Manuskript/ Literatur

Ein gedrucktes Skriptum sowie ein Literaturverzeichnis werden in der Vorlesung verteilt.

Hinweis

Zur Lösung der Übungsaufgaben (Programmierübungen) werden Laptops zur Verfügung gestellt.

 

 

Mathematische Methoden in der Feldtheorie

Dozent

Prof. Dr.-Ing. L. Klinkenbusch

Zielgruppe

Studierende der Elektrotechnik und Informationstechnik im Hauptstudium
Studierende mit Nebenfach Elektrotechnik und Informationstechnik

Beschreibung

In der Vorlesung werden die Studierenden mit den mathematischen Grundlagen vertraut gemacht, welche für das Verständnis und für die Lösung von Problemen im Bereich der skalaren (z.B. akustischen ) und der vektoriellen (z.B. elektromagnetischen) Felder hilfreich, oft sogar unerläßlich sind. Die Methoden sind insbesondere wichtig im Zusammenhang mit der numerischen Behandlung von meist durch Differential- bzw. Integralgleichungen beschriebenen feldtheoretischen Problemen. Die Vorlesung ist aufgrund der starken Analogien zu nachrichtentechnischen bzw. systemtheoretischen Konzepten auch für Hörer mit nachrichtentechnischen Schwerpunkten von Interesse.

Inhalt

Mathematische Grundlagen

Diracsche "δ-Funktion", δ-konvergente Folgen, orthonormierte Funktionensysteme, Sturm-Liouville-Theorie (Lösung gewöhnlicher Differentialgleichungen zweiter Ordnung)

Methode der Greenschen Funktion

Definition, Eigenschaften, Darstellung, Lösung von Randwertaufgaben mittels Greenscher Funktionen, Erste und Zweite Randwertaufgaben

Helmholtzgleichung und Laplacegleichung

Separation in ebenen Polarkoordinaten, Separation in Kugelkoordinaten, Greensche Funktion des freien Raumes

Multipolanalyse elektromagnetischer Felder

Maxwellsche Gleichungen, Helmholtzgleichung, sphärische Multipolanalyse, Multipolentwicklung einer ebenen Welle, Beugung an der Kugel (Mie'sche Theorie)

Skript

Ein gedrucktes Skript wird in der Vorlesung verteilt.