WING ET1 F10 Klausur PDF

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Schriftliche Prüfung im Fach ELEKTROTECHNIK I FÜR STUDIERENDE DER WIRTSCHAFTSWISSENSCHAFTEN am 25. März 2010

Nur für Wiederholer: Name:

Adresse:

Vorname: Matrikel Nr.: Studiengang:

Email: ฀ Diplom

฀ Bachelor

Tel-Nr.:

Zur Beachtung:  Zur Prüfung sind außer Schreibgerät (keine Bleistifte) und Lineal keine Hilfsmittel wie Taschenrechner, Formelsammlung, Skript etc. zugelassen. Die Verwendung von eigenem Konzeptpapier ist nicht gestattet. 

Tragen Sie Name, Vorname und Matrikelnummer auf dem Deckblatt und auch auf jedem Aufgabenblatt ein. Prüfen Sie die Anzahl der Blätter auf Vollständigkeit. Die Prüfung besteht aus 4 Aufgaben: 1 Titelblatt, 11 Aufgabenblätter, 2 Blätter Konzeptpapier



Die Aufgabenblätter müssen bei Abgabe zusammengeheftet sein. Ggf. von der Aufsicht zusammenheften lassen.



Die Lösungen zu den Aufgaben sind in die dafür vorgesehenen Zwischenräume einzutragen. Wenn nicht anders vermerkt, werden nur Endergebnisse bewertet, die in die vorgesehenen Zwischenräume einzutragen sind. Verwenden Sie für Zwischenrechnungen ggf. die linke leere Seite und das angeheftete Konzeptpapier. Bei Abgabe: Bleiben Sie bitte an Ihren Plätzen. Die bearbeiteten Aufgabenblätter werden bei Ihnen abgeholt.



Die Prüfungsergebnisse werden zusammen mit Ihrer Matrikelnummer voraussichtlich in 6 Wochen durch Aushang am Institut (IWE) bekannt gegeben. Der genaue Termin (Notenaushang und Einsicht) wird im Internet unter www.iwe.kit.edu bekannt gemacht.

Aufgabe 1: (10)

Punkt(e)

Aufgabe 2: (10)

Punkt(e)

Aufgabe 3: (10)

Punkt(e)

Aufgabe 4: (10)

Punkt(e)

Gesamt :

Punkt(e)

(40)

Elektrotechnik I für WIWI, 25.3.2010

Name:

Vorname:

Matrikel-Nr.:

Aufgabe 1: Elektrische Quellen und Verbraucher (10 Punkte) Hinweis:

Doppelbrüche müssen aufgelöst werden.

Frage 1.1

Das „Centennial Light“ gilt als die langlebigste Glühlampe der Welt und hat eine elektrische Leistung von P = 4 W. Berechnen Sie den Widerstand R der Glühlampe bei einer Nennspannung von U = 110 V. (1 Punkt)

Frage 1.2

Ein Graphitfaden der Länge l = 30 cm mit einer Querschnittsfläche von A = 0,5 mm2 hat einen Widerstand von R = 4,8 Ω. Welchen spezifischen Widerstand  hat der Graphitfaden? (1 Punkt)

Frage 1.3

Gegeben sei die folgende Schaltung einer realen Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand Ri = R und den Lastwiderständen R1 = R2 = 2R. Ri

R1

U0

R2

a) Berechnen Sie die in R1 umgesetzte Leistung P1 als Funktion von R und U0. (1 Punkt)

b) Welcher Wirkungsgrad wird mit der Last R1 erzielt? (1 Punkt)

1

Elektrotechnik I für WIWI, 25.3.2010

Name: Frage 1.4

Vorname:

Matrikel-Nr.:

Gegeben Sei folgende Schaltung einer realen Spannungsquelle mit U0 und den vier Innenwiderständen R1, R2, R3 und R4 sowie dem Lastwiderstand RL. Für die Innenwiderstände sind die folgenden Werte gegeben: R1 = R3 = R4 = R und R2 = 2R. U1 I1 R1 U2

U4

R4

R2

UL

RL I2

I4 IL

U0 U3 I3

R3

a) Schaltung ohne Lastwiderstand RL: Wie groß ist das Verhältnis der Spannungen U1/U2? (1 Punkt)

b) Berechnen Sie die charakteristischen Größen Kurzschlussstrom IK und Innenwiderstand Ri der realen Spannungsquelle (ohne RL) als Funktion von R und U0. (2 Punkte)

2

Elektrote chnik I für WIIWI, 25.3.2010

Name:

me: Vornam

Matrikel-N Nr.:

c) Diie Schaltun ng soll nun in eine reale Stro omquelle uumgeformt w erden, deeren Innnenwiderstan d Ri sich a us den vierr Widerständ den R1, R2, R3 und R4 zzusammenseetzt. Zeeichnen Sie die reale Stromquelle u nd geben Sie die Strom mstärke, die von v der idea alen Qu u elle des Erssatzschaltbilddes geliefert wird, als Funktion von R und U0 an. (2 Punkte)

Frage 1..5

In der unten geg eben Schaltung ist jeeder Widerstand 1 Ω groß. Berecc hnen Sie den Gesam m twiderstandd zwischen den Klemmenn A und B. (1 1 Punkt)

In Aufgabe e 1 wurde(n) erreicht: 3

Punkt((e)

Elektrote chnik I für WIIWI, 25.3.2010

Name:

me: Vornam

Matrikel-N Nr.:

Aufgabe e 2: Konden nsator und T Transformattor (10 Punkkte) Frage 2..1

Skizziiert ist die Auswirkung A des d elektrischen Feldes E auf die Poolarisation vo on Werkstofffen. Bezeicchnen Sie diie drei unterschiedlich P olarisationsm mechanismenn mit jeweils dem richtigen Fachbegriff. (1 Punkt)

E

E

E

Frage 2..2

Wie än dert sich die in einem Plattenkonden P nsator gespeicherte Energie, wenn m an den Absta nd der Pllatten verdop sei immer mit einer Sppannungsque lle verbundden. p pelt. Der Kondensator K Markiieren Sie einddeutig die ric c htige Antwoort. (1 Punkt)

Frage 2..3

Gebenn Sie für die d rei Skizzenn jeweils an, ob es sich um m ein magneetisches oder elektrisches Feld handelt. h (1 Puunkt)

4

Elektrote chnik I für WIIWI, 25.3.2010

Name: Frage 2..4

Matrikel-N Nr.:

me: Vornam Gegebben sei die ne e benstehendee Anordnungg: Der In n nenraum zweier Platte enkondensatooren sei je zur Hälfte mit einnem Dielektrikum ( r2 = 5) gefüllt (siehe Skizze). Deer restliche Raum R sei Lu ft (r1 = 1). Berech h nen Sie diee Teilkapazi tät CA der A Anordnung. (1 Punnkt)

Frage 2..5

Wie verhält sich die elektrischen Feldstärkke E in den ge gebenen Annordnungen CA und auchh CB in Bezzug auf die D Dielektrizitätsskonstante. (2 ( Punkte) Hinweeis: Das elektrische k Feldd in der Luftt sei E1 mit r1 bzw. E2 in den gefüüllten Bereichen mit r22 .

Kond densator C A :

E A1  E A2

Kond densator C B :

E B1  EB 2

5

Elektrotechnik I für WIWI, 25.3.2010

Name: Frage 2.6

Vorname:

Matrikel-Nr.:

Gegeben ist eine Transformatorschaltung mit den Windungszahlen w1 = 100 und w2 = 200. Weiterhin sind der Innenwiderstand Ri = R und die Verbraucherwiderstände R1 = R2 = 2R. Mit welchem Gesamtwiderstand Rges wird die Spannungsquelle U0 belastet? (1 Punkt)

I2

Ri

U0

URi

U1

~

w1

Frage 2.7

UR1

U2

R1

UR 2

R2

w2

Gegeben ist der zeitliche Verlauf des Stromes i(t) durch einen Kondensator C. Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung u(t) am Kondensator für 0  t  T. Der Kondensator sei zum Zeitpunkt t = 0 nicht geladen. (3 Punkte)

i(t) I0 i(t) C

u(t)

T/2

T

t

-I0

In Aufgabe 2 wurde(n) erreicht: 6

Punkt(e)

Elektrotechnik I für WIWI, 25.3.2010

Name:

Vorname:

Matrikel-Nr.:

Aufgabe 3 : Einschwingvorgänge und Magnetisches Feld (10 Punkte) Gegeben ist folgende Schaltung, bei der zum Zeitpunkt t = 0 der Schalter S geschlossen wird. Alle Speicherelemente sind zum Einschaltpunkt t = 0 nicht geladen!

I1

R R

U0

R

U1

R L

R

L

S

C

Frage 3.1

Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild für den Zeitpunkt t = 0+, also unmittelbar nach dem Einschalten. (1 Punkt).

Frage 3.2

Berechnen Sie jeweils U1 und I1 für den Zeitpunkt t = 0+. (2 Punkte).

7

Elektrotechnik I für WIWI, 25.3.2010

Name:

Vorname:

Matrikel-Nr.:

Frage 3.3

Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild für den eingeschwungenen Zustand t  . (1 Punkt)

Frage 3.4

Berechnen Sie jeweils U1 und I1 für den eingeschwungenen Zeitpunkt t  . (2 Punkte)

Frage 3.5

Berechnen Sie die Induktivität L (Zahlenwert) einer Spule der Länge l = 25 cm Querschnittsfläche A = 10 cm2 und der Windungszahl w = 500. Verwenden Sie die Hinweis: Näherung für lange Spulen verwenden. 0 = 410-7 Vs/Am (1 Punkt).

Frage 3.6

Kennzeichnen Sie alle Aussagen mit richtig oder falsch. (1 Punkt) richtig 1. Die Induktivität einer Spule mit geschlossenem Eisenkern wird durch Einbau eines Luftspaltes größer. 2. Die Magnetnadel eines Kompasses muss eine sehr kleine Koerzitivfeldstärke haben. 3. Der Scheinwiderstand ist die geometrische Summe aus Wirk- und Blindwiderstand

8

falsch

Elektrote chnik I für WIIWI, 25.3.2010

Name: 3 Frage 3.7

me: Vornam

Matrikel-N Nr.:

Bei der Übertraagung von elektrischer Energie über weite Sttrecken, insbbesondere üüber Wasserflächen, wird diee Hochspaannungs-Gleichstrom-Übbertragung (HGÜ), also a chstrom, veerwendet. Gezeigt G ist ein Segelb boot, das ssich über einem e solchhem Gleic Gleic chstromkabeel befindet.

E v r = 10 m zum Kabel, in von Wie stark ist die magnetischee Flussdichtee B in einer Entfernung mmen Sie das Verhältnis B/BErde. Wirrd der Komppass dem ein Strom I = 1000 A flließt? Bestim durch diese Kabeel gestört? (22 Punkte) -7 weis:  r,Wasser = 1,  0 = 4 m BErde=5100-5 Vs/m2 Hinw 10 Vs/A m,

9

In Aufgab be 3 wurde(nn) erreicht:

Punkkt(e)

Elektrote chnik I für WIIWI, 25.3.2010

Name:

Vornam me:

Matrikel-N Nr.:

Aufgabee 4: Komple exe Wechselstromrechnung (10 Punnkte)

Gegeben n sei folgend des RCL-Netzwerk e (Teiilaufgabe 4.11 – 4.4):

Frage 4..1

Berech h nen Sie diie Eingangsimpedanz Z E (zwischenn den Klem mmen a und d b) des RC CLNetzw werks. (1 Punnkt)

  Frage 4..2

Berech h nen Sie die komplexe Übertragungs Ü funktion des gegebenen Netzwerks. ( 1 Punkt)

 Frage 4..3

Berech h nen Sie denn Amplitudenngang des geegebenen Ne tzwerks. (1 Punkt) P



Frage 4..4

Was für ein Filteertyp ergibt s ich, wenn m man in der geg geben Schalttung den Kondensator kurzschließt? (1 Punkt)

10

Elektrote chnik I für WIIWI, 25.3.2010

Name: Frage 4..5

me: Vornam

Matrikel-N Nr.:

Skizziieren Sie den n gegebenen neuen Amplitudengang A () (Achseenbeschriftung n nicht 2 1   LC vergesssen!): A ()  . (  RC ) 2  (1   2 LC C )2 Welchhen Wert nim mmt die Ampp litude für   0 

Frage 4..6

1 an. (2 Puunkte) LC

Zeichnnen Sie für jeden j der gegebenen Am mplitudengänge A, B undd C ein mög lichst einfac hes elektriisches Netzw werk und orrdnen Sie z u jedem geg g ebenen Am mplitudenga ng die passennde Anwen dung (1-3) zu. (3 Punktt) (1) Frequenzgang eines HiFi-V Verstärkers; (2) Frequenzweichhe eines Hoc htöners; (3) Üb bertragungsverhalten einees Handy-Mikrofons

Frage 4..7

Reale Systeme werden häufigg mittels RC CL-Ersatzschhaltungen moo delliert. Welches Elem ment (R, L oder C) bildet am bestenn die schwin gende akustiische Membr an eines La utsprechers ab? Kurze Begründungg! (1 Punkt)

11

In Aufgabbe 4 wurde(nn) erreicht:

Punktt(e)

Elektrotechnik I für WIWI, 25.3.2010

Name:

Vorname:

Matrikel-Nr.:

12

Elektrotechnik I für WIWI, 25.3.2010

Name:

Vorname:

Matrikel-Nr.:

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