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Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg

Themen für Projektarbeiten

Projektarbeit: " Wasserlinien- und Seebodeneinfluss auf das elektrische Feld von Dipolanordnungen" icon

Schiffe bestehen heutzutage überwiegend aus Metall und sind daher anfällig für Korrosion. Durch den Kontakt mit dem sie umgebenden Wasser treten elektrochemische Reaktionen auf, welche zu einem Stromfluss durch das Wasser führen und eine chemische Umwandlung und Auflösung der Metallteile zur Folge haben können. Um dieses zu verhindern, wird neben schützenden Anstrichen, Beschichtungen und Ummantelungen oft auch ein sog. "Elektrischer Korrosionsschutz" (EKS) verwendet. Dabei macht man sich zu Nutze, dass sich nur diejenigen Metallteile auflösen, an denen anodische Teilreaktionen ablaufen – die also positive Ladungen an das Wasser (Elektrolyt) abgeben. Indem gesonderte passive oder aktive Anoden am Schiffsrumpf angebracht werden, können alle restlichen Metallteile künstlich zu Kathoden gemacht und auf diese Weise vor Korrosion geschützt werden.
Das Ziel der Arbeit besteht in der analytischen Berechnung und Visualisierung der Feldverteilungen des elektrischen Feldes und des Stromdichtefeldes. Das EKS-System soll vereinfacht als Dipolanordnung für verschiedenen Orientierungen (x-/y-/z-Dipol) betrachtet werden. Nach den Berechnungen im freien Wasser sollen in einem zweiten Schritt die Wasserlinie (Von-Neumann-Rand) und der Seeboden (mit anderer Leitfähigkeit als das Wasser) berücksichtigt werden. Dieses kann durch Anwendung der Spiegelungsmethode erreicht werden. Von besonderem Interesse sind die Änderungen der Feldstärken an der Grenzschicht zwischen Wasser und Seeboden. Es existieren für die Problemstellung bereits Daten aus numerischen Simulationen, mit denen die berechneten Feldwerte verglichen werden können. Die Themenstellung bezieht sich auf eine aktuelle Forschungsaktivität in Zusammenarbeit mit der Marine der Bundeswehr und wird daher mit regem Interesse begleitet und unterstützt. Auf eine ordentliche und anschauliche Dokumentation wird besonderen Wert gelegt.

Voraussetzungen: Interesse an elektromagnetischen Feldern, Kenntnisse von MATLAB erwünscht.
Anzahl Teilnehmer/innen: 2 Studierende.
Charakter der Arbeit: 50% Theorie / 20% MATLAB Visualisierung / 20% detaillierte Dokumentation.
Wir bieten: Eine interessante, anwendungsorientierte Problemstellung aus der Feldtheorie.
Kontakt: David Schäfer: david.schaefer@uni-due.de
Prof. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de




Projektarbeit: "Elektrische Leitfähigkeit von Nanokompositen"

Polykristallinen Materialien oder aus Nanopartikeln zusammengesetzte Nanokomposite können sehr vielversprechende Materialeigenschaften aufweisen, welche sich zudem ingenieurtechnisch mit der entsprechenden Prozesstechnologie direkt beeinflussen lassen. In dieser Projektarbeit soll der aus einem Nanokomposit bestehende Leiter möglichst einfach und intuitiv modelliert werden: Das Leitermaterial besteht aus einer schichtförmigen Ansammlung von metallisch leitenden "Nanokügelchen", welche sich teilweise berühren müssen, damit – makroskopisch betrachtet – überhaupt eine elektrische Leitfähigkeit entsteht. Diese Ansammlung leitender "Nanokügelchen" kann in einem weiteren Schritt sehr einfach in ein sogenanntes Zufalls-Widerstands-Netzwerk (random resistor network) übersetzt und entsprechend analysiert werden. Die Aufgabe der Projektarbeit besteht nun darin, den Gesamtwiderstand dieses speziellen Netzwerks zu berechnen, um aus diesem Wert dann eine makroskopische elektrische Leitfähigkeit ermitteln zu können. Die Berechnung beruht auf einem simplen rekursiven Transfer-Matrix-Verfahren, in welchem die Widerstandsberechnung zeitgleich mit der (zufallsgesteuerten) Erzeugung des Widerstandsnetzwerks erfolgt. Kann die Leitfähigkeit durch entsprechende Variation des Zufallsprozesses (sprich: Anordnung der "Nanokügelchen") beeinflusst werden? Im Sinne einer guten Betreuung werden wöchentliche Projektmeetings durchgeführt. Die Ergebnisse sind in einem kurzen Projektbericht darzulegen und im Rahmen eines öffentlichen Referates dem Fachgebiet vorzutragen.

Voraussetzungen: Kenntnisse von MATLAB.
Anzahl Teilnehmer/innen: 2 Studierende.
Charakter der Arbeit: 10% Theorie / 30% Programmieren / 60% numerisches Experimentieren.
Wir bieten: Eine witzige Problemstellung im Kontext unserer eigenen Forschung.
Kontakt: Prof. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de




Projektarbeit: "Optimierte Hauptfeldspule für einen Magnetresonanz-Tomographen"

In der Magnetresonanztomographie (MRT) werden die magnetischen Momente von Wasserstoffkernen unter Einfluss eines sehr starken, homogenen Magnetfeldes (dem sogenannten Hauptfeld) zum Kreiseln gebracht, wodurch über weitere Maßnahmen spezifische Informationen über das zugrunde liegende Material, bzw. Gewebe gewonnen werden kann. In der vorliegenden Projektarbeit soll eine Spulenanordnung entworfen werden und zwar so, dass ein möglichst homogenes Hauptfeld resultiert. Ausgangspunkt sei hier z.B. die sogenannte Helmholtz-Spule, bestehend aus zwei axial angeordneten ringförmigen Stromleitern. Für das Magnetfeld, welches von einem stromdurchflossenen kreisförmigen Ringleiter erzeugt wird, existieren gut dokumentierte, analytische Formelausdrücke. Die Aufgabe der Projektarbeit besteht nun darin, die analytisch vorliegenden Magnetfelder verschiedener solcher Ringleiter so zu überlagern, dass ein maximal homogenes axiales Hauptfeld resultiert. Für die Suche nach der geeigneten Stromstärke, der geeigneten Position und dem zugehörigen Durchmesser des Ringleiters soll ein einfaches numerisches Optimierungsverfahren zur Anwendung kommen. Im Sinne einer guten Betreuung werden wöchentliche Projektmeetings durchgeführt. Die Ergebnisse sind in einem kurzen Projektbericht darzulegen und im Rahmen eines öffentlichen Referates dem Fachgebiet vorzutragen.

Voraussetzungen: Kenntnisse von MATLAB.
Anzahl Teilnehmer/innen: 2 Studierende.
Charakter der Arbeit: 20% Theorie / 50% numerische Analyse / 30% Dokumentation.
Wir bieten: Einen zeitgemäßen Einblick in eine Hauptanwendung der biomedizinischen Technik.
Kontakt: Prof. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de




Projektarbeit: "Iteratives Finite-Differenzen-Verfahren"

Die numerische Simulation elektromagnetischer Felder (computational electromagnetics) gehört mit zu den Fachkenntnissen, über die ein/e Elektroingenieur/in Bescheid wissen sollte, zumal zahlreiche Aufgabenfelder (Hochspannungstechnik, Energietechnik, Hochfrequenztechnik und der Mikrowellenelektonik, Nachrichtentechnik und Photonik) zunehmend auf solche Simulationstools zurückgreifen. In dieser Projektarbeit soll nun ein einfaches Simulationstool für die Elektrostatik erstellt werden, welche auf der zweidimensionalen Finite-Differenzen-Methode (2D-FD) beruht. Eine naheliegende Implementation der 2D-FD beruht auf dem sehr einfachen und anschaulichen iterativen Gauss-Seidel-Verfahren (siehe hierzu auch die Folien 225-234 der Vorlesung TET1).
Die Arbeit gliedert sich in die folgenden Aufgabenbereiche, welche z.B. von drei Studierenden des Projektteams separat bearbeitet werden können.
  1. Die Implementation der eigentlichen Simulationsmethode.
  2. Die Implementation eines kleinen GUI (graphic user interface) für die Struktureingabe und die Ausgabe der Feldgrößen.
  3. Validierung (benchmarking) des Simulationstools.
Das 2D-FD-Verfahren soll in MATLAB programmiert werden. Im Sinne einer guten Betreuung werden wöchentliche Projektmeetings durchgeführt. Die Ergebnisse sind in einem kurzen Projektbericht darzulegen und im Rahmen eines öffentlichen Referates dem Fachgebiet vorzutragen.

Voraussetzungen: Freude an den elektromagnetischen Feldern, Kenntnisse von MATLAB, gute/r Kommunikator/in (auch in Englisch).
Anzahl Teilnehmer/innen: 2 Studierende.
Charakter der Arbeit: 10% Theorie / 60% Implementation / 30% Dokumentation.
Wir bieten: Eine interessante Forschungsumgebung im Fachgebiet für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE).
Kontakt: Prof. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de




Projektarbeit: "Ersatzladungsverfahren / Charge Simulation Method"

Die numerische Simulation elektromagnetischer Felder (computational electromagnetics) gehört zunehmend mit zu den Berufskenntnissen, über die ein/e Elektroingenieur/in verfügen sollte. Diese Simulationstools kommen in zahlreichen Gebieten wie der Hochspannungstechnik, der Energietechnik, der Hochfrequenztechnik und der Mikrowellenelektonik, sowie der Nachrichtentechnik und der Photonik zur Anwendung. In dieser Projektarbeit soll nun ein einfaches Simulationstool für die Elektrostatik, basierend auf dem Ersatzladungsverfahren (charge simulation method) erstellt werden, wobei wir uns auf zweidimensionale (2D) Elektrodenanordnungen beschränken wollen. Eine kurze Einführung in das Verfahren ist in den Folien 221-224 zur Vorlesung TET 1 aufgeführt. Die Arbeit gliedert sich in die folgenden Aufgabenbereiche, welche z.B. von drei Studierenden des Projektteams separat bearbeitet werden können.
  1. Die Implementation der eigentlichen Simulationsmethode.
  2. Die Implementation eines kleinen GUI (graphic user interface) für die Struktureingabe.
  3. Die Implementation eines GUI für die Ausgabe der Feldgrössen und die Validierung (benchmarking) des Simulationstools.
Das Ersatzladungserfahren soll in MATLAB programmiert werden. Im Sinne einer guten Betreuung werden wöchentliche Projektmeetings durchgeführt. Die Ergebnisse sind in einem kurzen Projektbericht darzulegen und im Rahmen eines öffentlichen Referates dem Fachgebiet vorzutragen.

Voraussetzungen: Freude an den elektromagnetischen Feldern, Kenntnisse von MATLAB, gute/r Kommunikator/in (auch in Englisch).
Anzahl Teilnehmer/innen: Maximal 3 Studierende.
Charakter der Arbeit: 10% Theorie / 60% Implementation / 30% Dokumentation.
Wir bieten: Eine interessante Forschungsumgebung im Fachgebiet für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE).
Kontakt: Prof. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de