- Grundlagen der Elektrotechnik I

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Grundlagen der Elektrotechnik I
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I
23.05.02
Gliederung des Vorlesungsskriptes zu "Grundlagen der Elektrotechnik I"
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Physikalische Grundbegriffe ....................................................................
1
1.1
Aufbau der Materie, positive und negative Ladungen .......................
1
1.2
Elektrostatische Kraft
.....................................................................
3
1.3
Leiter, Halbleiter und Nichtleiter .....................................................
6
1.4
Elektrische Strömung ....................................................................... 11
1.5
Elektromagnetische Kraft ................................................................. 14
Einführung eines Einheitensystems ....................................................... 17
2.1
Physikalische Größen, physikalische Größenarten,
Einheiten und Werte physikalischer Größen ..................................... 17
2.2
Physikalische Gleichungen, Größensysteme, Einheitensysteme......... 18
2.3
Internationales Einheitensystem (SI) ................................................ 21
Der einfache elektrische Gleichstromkreis
3.1
......................................... 24
Elektrischer Strom ........................................................................... 24
3.1.1 Transportierte Ladung und Strom ......................................... 24
3.1.2 Stromzählpfeile .................................................................... 24
3.1.3 Serienschaltung mehrerer Leiter ............................................ 25
3.1.4 Stromdichte
......................................................................... 25
3.1.5 Größenordnungen der Ströme und Stromdichten in der
Technik, Elektronengeschwindigkeit in Metallen .................. 31
3.1.6 Strommessung ...................................................................... 32
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3.2
Elektrische Spannung
...................................................................... 32
3.2.1 Spannungsquelle, Spannung ................................................. 32
3.2.2 Beispiele von Spannungsquellen ........................................... 35
3.2.3 Spannungszählpfeile ............................................................. 36
3.2.4 Spannungsmessung .............................................................. 37
3.3
Ohmsches Gesetz
........................................................................... 38
3.3.1 Proportionalität zwischen Strom und Spannung,
Widerstand und Leitwert ...................................................... 38
3.3.2 Widerstandsberechnung ....................................................... 40
3.3.3 Ohmsches Gesetz in Differentialform .................................... 42
3.4
Widerstand realer Bauelemente ....................................................... 46
3.4.1 Temperaturabhängigkeit ....................................................... 46
3.4.2 Nichtlineare Widerstände ..................................................... 51
3.4.3 Steuerbare Widerstände
3.5
...................................................... 55
Leistung und Energie ....................................................................... 58
3.5.1 Leistung ............................................................................... 58
3.5.2 Energie, Arbeit ..................................................................... 58
4
Der kompliziertere elektrische Gleichstromkreis ................................. 60
4.1
Kombination von Verbrauchern ........................................................ 60
4.1.1 Serien- oder Reihenschaltung von Widerständen.................... 60
4.1.2 Parallelschaltung von Widerständen....................................... 62
4.2
Reale Spannungsquelle........................................................................ 66
4.2.1 Physikalische Notwendigkeit des
Innenwiderstands...................................................................... 66
4.2.2 Kurzschlußstrom und Leerlaufspannung ............................... 68
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4.2.3 Strom und Klemmenspannung bei Belastung.......................... 69
4.2.4 Leistung.................................................................................... 72
4.2.5 Äquivalenz von Stromquellen -und Spannungsquellenersatzbild.................................................................... ............. 74
4.3
Aktive und passive Zweipole ............................................................ 76
4.3.1 Begriff des Zweipols
........................................................... 76
4.3.2 Verbraucher- und Erzeugerzählpfeilsystem ........................... 77
5
Gleichströme und Gleichspannungen in linearen Netzwerken ............. 81
5.1
Begriffsbestimmungen
.................................................................... 81
5.1.1 Netzwerk, Knoten, Zweig, Schleife, Masche.......................... 81
5.1.2 Topologie, Netzwerkgraph ................................................... 82
5.1.3 Strom- und Spannungszählpfeile ............................................ 83
5.2
Kirchhoffsche Sätz.............................................................................. 84
5.2.1 Erster Kirchhoffscher Satz
.................................................. 84
5.2.2 Zweiter Kirchhoffscher Satz ................................................ 88
5.2.3 Unabhängige Zweigströme .................................................. 95
5.3
Berechnen der Zweigströme und Zweigspannungen.......................... 98
5.3.1 Berechnen sämtlicher m Zweigströme ................................... 98
5.3.2 Berechnen der m Zweigspannungen ..................................... 102
5.3.3 Berechnen der m-(n-1) unabhängigen Zweigströme ............ 102
5.3.4 Zusammenfassung der behandelten Berechnungsverfahren für die Zweigströme und Zweigspannungen ......... 105
5.4
Überlagerungssatz nach Helmholtz ................................................... 106
5.5
Leistungsbetrachtung, Satz von Tellegen
....................................... 108
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6
Das elektromagnetische Feld
6.1
............................................................... 110
Größen des elektromagnetischen Feldes .......................................... 112
6.1.1 Kraft zwischen bewegten Ladungen .................................... 112
6.1.2 Magnetische Induktion ......................................................... 115
6.1.3 Magnetische Feldstärke ....................................................... 125
6.1.4 Durchflutungsgesetz ............................................................ 133
6.1.5 Magnetischer Fluß ............................................................... 144
6.1.6 Magnetische Feldenergie ...................................................... 147
6.2
Elektromagnetische Felder in ferromagnetischen Stoffen ................ 150
6.2.1 Ferromagnetische Stoffe, Hysterese .................................... 150
6.2.2 Magnetische Induktionslinien an der Grenzschicht
zweier Medien
...................................................................... 157
6.2.3 Ohmsches Gesetz des magnetischen Kreises ........................ 161
6.2.4 Magnetischer Fluß in komplizierteren
ferromagnetischen Strukturen ............................................... 167
6.2.5 Kraftwirkung auf magnetische
Materialien im magnetischen Feld ........................................ 171
6.3
Induktionswirkung des magnetischen Feldes .................................. 182
6.3.1 Induktionsgesetz .................................................................. 182
6.3.2 Induktivität und Selbstinduktion............................................. 193
6.3.3 Gegeninduktivität und Gegeninduktion ................................ 206
6.3.4 Zusammenfassende Gegenüberstellung der
Begriffe Selbstinduktion und Gegeninduktion.........................215
6.4
Wirbelströme, Skineffekt, Halleffekt, Magnetostriktion ................... 216
6.4.1 Wirbelströme ........................................................................ 216
6.4.2 Skineffekt
............................................................................ 221
6.4.3 Halleffekt
............................................................................ 222
6.4.4 Magnetostriktion .................................................................. 225
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Grundzüge der Lehre von den
sinusförmigen Wechselspannungen und Wechselströmen
................. 227
7.1
Beschreibungsgrößen
...................................................................... 227
7.2
Sinusförmige Wechselvorgänge in der Technik ............................... 232
7.2.1 Elektrische Energieerzeugung .............................................. 232
7.2.2 Transformierbarkeit .............................................................. 234
7.2.3 Fourierdarstellung ................................................................ 236
7.3
Berechnen einfacher Wechselstromkreise ......................................... 237
7.3.1 Ohmsche Widerstände,
Spulen und Kondensatoren in Wechselstromkreisen...............237
7.3.2 Addition gleichfrequenter sinusförmiger Wechselgrößen ...... 242
7.3.3 Untersuchung einfacher Schaltungen ..................................... 248
7.4
Wechselstromleistung ...................................................................... 258