Elektrotechnik
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Dieter Zastrow Elektrotechnik Ein Grundlagenlehrbuch 15., vollständig überarbeitete Auflage Mit 526 Abbildungen, 142 Beispielen und 225 Übungsaufgaben mit Lösungen sowie 27 Übersichten als Wissensspeicher Viewegs Fachbücher der Technik vieweg VI Inhaltsverzeichnis Arbeitshinweise zu diesem Buch 1 Elektrische Ladung 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 XII 1 Beobachtungen und Grundannahmen Atomistische Deutung Ladungstrennung und elektrisches Feld Ladungsträger Übungsaufgaben 1 2 3 5 6 2 Elektrische Spannung 2.1 Energietransportaufgabe des Stromkreises 2.2 Spannung als Kennwert eines Arbeitsvermögens 2.3 Spannung als Potenzialdifferenz 2.4 Potenzialgefälle und Feldstärke 2.5 Potenzial- und Spannungsmessung 2.6 Spannungszählpfeile 2.7 Übungsaufgaben 7 7 9 10 13 14 16 16 3 Elektrische Strömung 3.1 Stromrichtung und Stromstärke 3.2 Zeitlich konstante Strömung 3.3 Zeitlich veränderliche Strömung 3.4 Transportierte Ladungsmenge 3.5 Messen der Stromstärke 3.6 Stromdichte 3.7 Übungsaufgaben 20 20 20 22 23 24 25 27 4 Elektrischer Widerstand 4.1 Widerstandsbegriff 4.2 Lineare Widerstände 4.3 Nichtlineare Widerstände 4.4 Ohm'sches Gesetz und Leitungswiderstand 4.5 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes 4.6 Übungsaufgaben 28 28 29 30 32 35 40 5 Grundstromkreise 5.1 Grundgesetze der Stromkreise 5.2 Reihenschaltung von Widerständen 5.3 Parallelschaltung von Widerständen 5.4 Spannungsquelle mit Innenwiderstand 5.5 Stromquelle mit Innenwiderstand 5.6 Übungsaufgaben 42 42 43 46 49 52 55 Inhaltsverzeichnis 6 Energieumsetzung im Verbraucher 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 Elektrische Arbeit Joule' sches Gesetz Elektrische Leistung Strom- und Spannungsabhängigkeit der Leistung Nennleistung Energieumwandlung und Wirkungsgrad Energieübertragung und Wirkungsgrad Leistungsanpassung Übungsaufgaben 7 Verzweigte Stromkreise 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 8 Lösungsmethodik für verzweigte Stromkreise mit bekannten Widerstandswerten Lösungsmethodik für verzweigte Stromkreise mit mehreren Bedingungen Lösungsmethodik für Schaltungen mit einem nichtlinearen Widerstand Lösungsmethodik für Brückenschaltungen Lösungsmethodik Ersatzschaltung Übungsaufgaben VII 58 58 59 60 62 63 64 65 68 71 73 74 78 81 84 88 90 Netzwerke 93 8.1 8.2 8.3 8.4 93 94 96 97 Netzwerk Kreis stromverfahren Überlagerungsmethode Übungsaufgaben 9 Ersatzquellen 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 Ersatzschaltungen Ersatzspannungsquelle Ersatzstromquelle Vergleich der Ersatzquellen Ersatzschaltungen zur Nachbildung nichtlinearer I-U-Kennlinien Übungsaufgaben 10 Eigenschaften und Bemessung des Spannungsteilers 10.1 Leerlauffall 10.2 Belastungsfall 10.3 Linearitätsfehler des belasteten Spannungsteilers 10.4 Dimensionierung des Spannungsteilers 10.5 Übungsaufgaben 11 Elektrostatisches Feld 11.1 Elektrostatisches Feld des Plattenkondensators 11.2 Kapazität 11.3 Kapazitätsberechnung 11.4 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 99 99 99 102 103 104 107 109 109 111 113 116 118 120 120 121 122 128 VIII 11.5 Kapazitive Kopplung von Stromkreisen 11.6 Energie des elektrostatischen Feldes 11.7 Kräfte im elektrostatischen Feld 11.8 Übungsaufgaben Inhaltsverzeichnis 131 133 135 140 12 Ladungsvorgänge bei Kondensatoren 12.1 Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom 12.2 Kondensatoraufladung über Vorwiderstand an konstanter Spannung 12.3 Entladung des Kondensators über einen Widerstand 12.4 Übungsaufgaben 143 143 144 149 153 13 Magnetisches Feld 13.1 Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters 13.2 Induktivität 13.3 Induktivitätsberechnung 13.4 Magnetische Eigenschaften des Eisens 13.5 Magnetischer Kreis 13.6 Magnetische Energie der Spule 13.7 Hystereseverluste 13.8 Kraftwirkungen 13.9 Übungsaufgaben 154 154 155 156 163 166 167 171 172 179 14 Induktion 14.1 Induktion in der Leiterschleife 14.2 Induktionsgesetz 14.3 Induktionsspule 14.4 Generatorprinzip 14.5 Selbstinduktion 14.6 Übungsaufgaben 181 181 182 187 188 193 196 15 Schaltvorgänge bei Spulen in Gleichstromkreisen 15.1 Einschaltvorgang 15.2 Abschaltvorgang 15.3 Übungsaufgaben 198 198 202 205 16 Sinusförmige Änderungen elektrischer Größen 16.1 Darstellung sinusförmiger Größen 16.2 Frequenz, Kreisfrequenz 16.3 Übungsaufgaben 208 208 213 216 17 Mittelwerte periodischer Größen 17.1 Arithmetischer Mittelwert: Gleichanteil der Größe 17.2 Gleichrichtwert 17.3 Quadratischer Mittelwert: Effektivwert der Größe 17.4 Scheitelfaktor (Crestfaktor) 217 217 219 220 223 Inhaltsverzeichnis 17.5 Formfaktor 17.6 Übungsaufgaben 18 Addition frequenzgleicher Wechselgrößen IX 226 227 229 18.1 Nullphasenwinkel, Phasenverschiebungswinkel 18.2 Addition von Wechselspannungen 18.3 Subtraktion von Wechselspannungen 18.4 Übungsaufgaben 229 231 233 235 19 Idealer Wirkwiderstand im Wechselstromkreis 236 19.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung 19.2 Leistungen und Energieumsetzung 19.3 Ohm'sches Gesetz, Wirkwiderstand 19.4 Übungsaufgaben 236 237 239 241 20 Idealer Kondensator im Wechselstromkreis 242 20.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung 20.2 Leistung und Energieumsetzung 20.3 Ohm'sches Gesetz, kapazitiver Blindwiderstand 20.4 Übungsaufgaben 21 Ideale Spule im Wechselstromkreis 21.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung 21.2 Leistung und Energieumsetzung 21.3 Ohm'sches Gesetz, induktiver Blindwiderstand 21.4 Übungsaufgaben 22 Grundschaltung im Wechselstromkreis 22.1 Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator 22.1.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung 22.1.2 Ohm'sches Gesetz, Scheinleitwert 22.1.3 Ersatzschaltung des verlustbehafteten Kondensators 22.1.4 Energieumsetzung 22.1.5 Leistung 22.2 Reihenschaltung von Widerstand und Spule 22.2.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung 22.2.2 Ohm'sches Gesetz, Scheinwiderstand 22.2.3 Ersatzschaltung der verlustbehafteten Spule ohne Eisen 22.2.4 Energieumsetzung, Leistung 22.3 Übungsaufgaben 23 Einführung der komplexen Rechnung 23.1 Komplexe Darstellung von sinusförmigen Größen 23.3.1 Äquivalente Schaltung 23.3.2 Komplexer Widerstand von Netzwerken 242 243 245 247 248 248 249 251 253 254 254 254 256 257 258 260 262 262 264 265 266 267 268 268 276 277 Inhaltsverzeichnis 23.3.3 Komplexer Spannungsteiler 23.3.4 Komplexer Stromteiler 23.3.5 Besondere Phasenbedingung 23.4 Schaltungsanalyse mit Hilfe von Zeigerdiagrammen 23.4.1 Zeigerdiagrammtechnik 23.4.2 Zeigerdiagramm einer Phasenschieberschaltung 23.4.3 Zeigerdiagramm zur Blindstromkompensation 23.4.4 Zeigerdiagramm der eisengefüllten Spule 23.5 Ortskurven 23.6 Übungsaufgaben 24 Frequenzgang von /?C-Übertragungsgliedern 24.1 Frequenzgang 24.2 Tiefpass 24.3 Hochpass 24.4 Bandpass 24.5 Allpass (Phasendrehbrücke) 24.6 Übungsaufgaben 279 280 281 282 282 283 284 287 290 296 298 298 299 303 305 307 308 25 Schwingkreis, Resonanzkreis 25.1 Schwingkreis und freie Schwingung 25.2 Reihen-Resonanzkreis 25.2.1 Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand 25.2.2 Resonanzkurven bei Spannungssteuerung des Reihenkreises 25.3 Parallel-Resonanzkreis 25.3.1 Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand 25.3.2 Resonanzkurven bei Stromsteuerung des Parallelkreises 25.4 Bandbreite und Kreisgüte 25.5 Übungsaufgaben 309 309 314 315 317 319 319 320 322 323 26 Transformatoren 325 26.1 Gesetze des idealen Transformators 26.2 Realer Transformator 26.3 Strom- und Spannungsverhalten des realen Transformators 26.4 Übungsaufgaben 325 329 332 336 27 Dreiphasensystem 27.1 Drehstromquelle 27.2 Verkettungsmöglichkeiten 27.3 Potenzialdiagramm des Vierleiter-Dreiphasensystems 27.4 Spannungen und Ströme bei Sternschaltung der Verbraucher 27.5 Spannungen und Ströme bei Dreieckschaltung der Verbraucher 27.6 Leistung bei Drehstrom 27.7 Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes 27.8 Übungsaufgaben 337 337 338 340 341 344 345 347 348 Inhaltsverzeichnis XI Lösungen der Übungen 350 Memory 399 Sachwortverzeichnis 431
