Grundlagen der Elektrotechnik 1
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Manfred Albach Grundlagen der Elektrotechnik 1 Erfahrungssätze, Bauelemente, Gleichstromschaltungen ein Imprint von Pearson Education München • Boston • San Francisco • Harlow, England Don Mills, Ontario • Sydney • Mexico City Madrid • Amsterdam Inhaltsverzeichnis Vorwort Kapitel 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 9 Das elektrostatische Feld 11 Die elektrische Ladung Das Coulomb’sche Gesetz Die elektrische Feldstärke Überlagerung von Feldern Kräfte zwischen Ladungsverteilungen Ladungsdichten Darstellung von Feldern 1.7.1 Feldbild für zwei Punktladungen 1.7.2 Qualitative Darstellung von Feldbildern Das elektrostatische Potential 1.8.1 Das Potential einer Punktladung 1.8.2 Äquipotentialflächen Die elektrische Spannung Die elektrische Flussdichte Das Verhalten der Feldgrößen bei einer Flächenladung Feldstärke an leitenden Oberflächen Die Influenz 1.13.1 Dünne leitende Platten im homogenen Feld 1.13.2 Im leitenden Körper eingeschlossener Hohlraum Die dielektrische Polarisation Kräfte im inhomogenen Feld Sprungstellen der Dielektrizitätskonstanten Die Kapazität 1.17.1 Der Plattenkondensator 1.17.2 Der Kugelkondensator Einfache Kondensatornetzwerke Praktische Ausführungsformen von Kondensatoren 1.19.1 Der Vielschichtkondensator 1.19.2 Der Drehkondensator 1.19.3 Der Wickelkondensator Die Teilkapazitäten Der Energieinhalt des Feldes 11 12 13 15 17 19 21 22 24 25 27 28 30 30 32 36 38 38 40 42 48 49 51 52 53 54 56 56 57 57 58 58 Inhaltsverzeichnis 6 Kapitel 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Kapitel 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Kapitel 4 4.1 4.2 4.3 4.4 Das stationäre elektrische Strömungsfeld 63 Der elektrische Strom Die Stromdichte Definition des stationären Strömungsfeldes Ladungsträgerbewegung im Leiter Die spezifische Leitfähigkeit und der spezifische Widerstand Das Ohm’sche Gesetz Praktische Ausführungsformen von Widerständen 2.7.1 Festwiderstände 2.7.2 Einstellbare Widerstände 2.7.3 Weitere Widerstände Das Verhalten der Feldgrößen an Grenzflächen 2.8.1 Verschwindende Leitfähigkeit in einem Teilbereich 2.8.2 Perfekte Leitfähigkeit in einem Teilbereich Energie und Leistung 63 66 68 69 71 73 78 78 80 81 81 83 84 84 Einfache elektrische Netzwerke 87 Zählpfeile Spannungs- und Stromquellen Zählpfeilsysteme Die Kirchhoff’schen Gleichungen Einfache Widerstandsnetzwerke 3.5.1 Der Spannungsteiler 3.5.2 Der belastete Spannungsteiler 3.5.3 Messbereichserweiterung eines Spannungsmessgerätes 3.5.4 Der Stromteiler 3.5.5 Messbereichserweiterung eines Strommessgerätes Reale Spannungs- und Stromquellen Wechselwirkungen zwischen Quelle und Verbraucher 3.7.1 Zusammenschaltung von Spannungsquellen 3.7.2 Leistungsanpassung 3.7.3 Wirkungsgrad Das Überlagerungsprinzip Analyse umfangreicher Netzwerke 88 89 91 92 95 98 100 103 104 106 106 107 110 111 113 Stromleitungsmechanismen 119 Stromleitung im Vakuum Stromleitung in Gasen Stromleitung in Flüssigkeiten Ladungstransport in Halbleitern 4.4.1 Der pn-Übergang 4.4.2 Die Diode 119 124 125 129 133 136 101 102 Inhaltsverzeichnis Kapitel 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 Kapitel 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7 Das stationäre Magnetfeld 139 Magnete Kraft auf stromdurchflossene dünne Leiter Kraft auf geladene Teilchen Definition der Stromstärke Die magnetische Feldstärke Das Oersted’sche Gesetz Die magnetische Feldstärke einfacher Leiteranordnungen 5.7.1 Unendlich langer kreisförmiger Linienleiter 5.7.2 Toroidspule 5.7.3 Langgestreckte Zylinderspule Die magnetische Spannung Der magnetische Fluss Die magnetische Polarisation 5.10.1 Diamagnetismus 5.10.2 Paramagnetismus 5.10.3 Ferromagnetismus 5.10.4 Dauermagnete Das Verhalten der Feldgrößen an Grenzflächen Die Analogie zwischen elektrischem und magnetischem Kreis Die Induktivität 5.13.1 Induktivität der Ringkernspule 5.13.2 Induktivität einer Doppelleitung Der magnetische Kreis mit Luftspalt und der AL-Wert 5.14.1 Zusammenhang von Luftspaltlänge und Windungszahl 5.14.2 Zusammenhang von Luftspaltlänge und Flussdichte Praktische Ausführungsformen von Induktivitäten 5.15.1 Drahtgewickelte Luftspulen 5.15.2 Planare Luftspulen 5.15.3 Spulen mit hochpermeablen Kernen 139 141 145 145 147 148 151 151 152 154 156 157 158 161 162 162 165 166 169 172 174 176 179 181 183 184 185 187 188 Das zeitlich veränderliche elektromagnetische Feld 189 Das Induktionsgesetz Die Selbstinduktion Einfache Induktivitätsnetzwerke Die Gegeninduktion 6.4.1 Die Gegeninduktivität zweier Doppelleitungen 6.4.2 Die Koppelfaktoren Der Energieinhalt des Feldes 6.5.1 Die Energieberechnung aus den Feldgrößen 6.5.2 Die Hystereseverluste Anwendung der Bewegungsinduktion 6.6.1 Das Generatorprinzip 6.6.2 Das Drehstromsystem 189 202 203 204 208 211 212 215 217 219 219 222 Inhaltsverzeichnis 8 6.7 Anhang A A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.6 A.7 Anhang B B.1 B.2 B.3 B.4 Anhang C C.1 C.2 Anhang D D.1 D.2 Anwendung der Ruheinduktion 6.7.1 Der verlustlose Übertrager 6.7.2 Die Punktkonvention 6.7.3 Der verlustlose streufreie Übertrager 6.7.4 Der ideale Übertrager 6.7.5 Die Widerstandstransformation 6.7.6 Ersatzschaltbilder für den verlustlosen Übertrager 6.7.7 Der verlustbehaftete Übertrager 6.7.8 Der Spartransformator 226 226 231 234 235 237 238 243 243 Vektoren 245 Einheitsvektoren Einfache Rechenoperationen mit Vektoren A.2.1 Addition und Subtraktion von Vektoren A.2.2 Multiplikation von Vektor und Skalar Das Skalarprodukt Das Vektorprodukt Zerlegung eines Vektors in seine Komponenten Vektorbeziehungen in Komponentendarstellung Formeln zur Vektorrechnung 246 247 247 247 248 249 250 251 252 Orthogonale Koordinatensysteme 253 Das kartesische Koordinatensystem Krummlinige orthogonale Koordinatensysteme Die Zylinderkoordinaten Die Kugelkoordinaten 254 255 257 259 Ergänzungen zur Integralrechnung 261 Das Linienintegral einer vektoriellen Größe Der Fluss eines Vektorfeldes 261 264 Physikalische Grundbegriffe 269 Physikalische Größen Physikalische Gleichungen D.2.1 Größengleichungen D.2.2 Zugeschnittene Größengleichungen 269 272 272 273 Literaturverzeichnis 275 Verzeichnis der verwendeten Symbole 277 Griechisches Alphabet 283 Koordinatensysteme 284 Sachregister 287
