Elektrotechnik für Ingenieure
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Inhaltsverzeichnis Rainer Ose Elektrotechnik für Ingenieure Grundlagen ISBN (Buch): 978-3-446-43244-4 ISBN (E-Book): 978-3-446-43955-9 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-43244-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München Inhaltsverzeichnis I Gleichstromlehre 1 Elektrische Grundgrößen ............................................................................... 12 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 Elektrische Ladung ........................................................................................... Elektrische Stromstärke .................................................................................... Elektrische Spannung ....................................................................................... Elektrischer Gleichstromkreis ................…………........................................... Widerstände im elektrischen Stromkreis .......................................................... Bemessungsgleichung ...................................................................................... Temperaturabhängigkeit ................................................................................... Technische Ausführungsformen ...................................................................... 2 Gesetze zur Berechnung elektrischer Stromkreise ...................................... 21 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 Das OHMsche Gesetz ........................................................................................ Die KIRCHHOFFschen Sätze .............................................................................. Maschensatz ..................................................................................................... Knotenpunktsatz ............................................................................................... Energiesatz ....................................................................................................... 3 Lineare elektrische Gleichstromkreise ......................................................... 27 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.6 Eigenschaften elektrischer Stromkreise ............................................................ Regeln zur Berechnung passiver Zweipole ...................................................... Reihenschaltung und Spannungsteilerregel ...................................................... Parallelschaltung und Stromteilerregel ............................................................. Berechnung passiver Zweipole ......................................................................... Elektrische Quellen ........................................................................................... Lastfälle im Grundstromkreis ........................................................................... Leistung und Wirkungsgrad ............................................................................. Anpassungsfall ................................................................................................. Diskussion von Lastfällen ................................................................................ Belasteter Spannungsteiler ............................................................................... Beispiele und Anwendungen ........................................................................... 4 Grundschaltungen der elektrischen Messtechnik ....................................... 50 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.4 Messbereichserweiterung .................................................................................. Aufnahme von Kennlinien ................................................................................. Stromrichtige Messung ..................................................................................... Spannungsrichtige Messung ............................................................................. Messgeräte mit Nullindikator ........................................................................... Allgemeine Berechnung von Brückenschaltungen ............................................ 12 13 15 16 19 19 20 20 21 23 23 24 25 27 29 29 30 32 37 40 40 41 42 44 46 50 51 51 52 53 55 8 Inhaltsverzeichnis 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 Allgemeine Umrechnung in eine Sternschaltung .............................................. Dreieck-Stern-Transformation .......................................................................... Stern-Dreieck-Transformation .......................................................................... Beispiele und Anwendungen ............................................................................ 55 56 57 58 5 Verfahren zur Berechnung linearer Netzwerke ......................……............. 64 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 Netzwerkberechnung nach KIRCHHOFF ............................................................ Der HELMHOLTZsche Überlagerungssatz .......................................................... Zweipoltheorie .................................................................................................. Spannungsquellen-Ersatzschaltung ................................................................... Stromquellen-Ersatzschaltung .......................................................................... Beispiele und Anwendungen ............................................................................ Analyseverfahren .............................................................................................. Umlaufanalyse .................................................................................................. Knotenanalyse ................................................................................................... 64 66 68 69 70 72 83 83 87 6 Stromkreise mit nichtlinearen Bauelementen ............................................... 100 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.4 6.5 Strom-Spannungs-Kennlinie ............................................................................. Ausgewählte Kennlinien nichtlinearer Bauelemente ........................................ Konstruktion von Ersatz-Kennlinien ................................................................ Ersatz-Kennlinien von Elementarschaltungen .................................................. Idealisierte Kennlinien und Ersatzschaltungen ................................................. Grafische Bestimmung des Arbeitspunktes ................….................................. Beispiele und Anwendungen ............................................................................ II Elektrische und magnetische Felder 7 Feldbegriff ....................................................................................................... 110 7.1 7.2 Einteilung der Felder ........................................................................................ 110 Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder ..........……...................... 112 8 Stationäres elektrisches Strömungsfeld ........................................................ 114 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.3 8.3.1 8.3.2 Eigenschaften des elektrischen Strömungsfeldes .............................................. Beschreibung des stationären elektrischen Strömungsfeldes ........................... Integrale Größen ............................................................................................... Ortsbezogene Größen ....................................................................................... Maschen- und Knotenpunktsatz im Strömungsfeld .......................................... Überlagerung elektrischer Strömungsfelder ...........…...................................... Berechnung elektrischer Strömungsfelder ........................................................ Homogene und einfache inhomogene Strömungsfelder ....…........................... Radialsymmetrische Strömungsfelder ........…...……………........................... 100 101 103 103 103 104 106 114 116 116 116 119 120 121 121 123 Inhaltsverzeichnis 9 9 Elektrostatisches Feld ..................................................................................... 135 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.4 Eigenschaften des elektrostatischen Feldes ..................................................... Beschreibung des elektrostatischen Feldes ...................................................... Integrale Größen ....................................................…...................................... Ortsbezogene Größen ...........................................…....................................... Berechnung elektrostatischer Felder ................................................................ Homogene und einfache inhomogene elektrostatische Felder ......................... Radialsymmetrische elektrostatische Felder ........……………........................ Überlagerung elektrostatischer Felder ............................................................. Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld .................................................. 10 Elektrisches Verhalten des Kondensators ................................................... 147 10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 Regeln zur Berechnung von Kondensatorschaltungen .................................... Reihenschaltung und kapazitiver Spannungsteiler .......................................... Parallelschaltung und Ladungsteiler ................................................................ Gemischte Kondensatorschaltungen ................................................................ Schaltvorgänge in RC-Kombinationen ............................................................ Ladevorgang .................................................................................................... Entladevorgang ................................................................................................ Umschalten vorgeladener Kondensatoren ....................................................... Ladungsausgleich ........................................................…................................ Ladungsbilanz .................................................................................................. Ladungsausgleich in einer Reihenersatzschaltung .......................................... Ladungsausgleich in einer Parallelersatzschaltung ......................................... Kapazitive Netzwerke ...................................................................................... 11 Magnetisches Feld .......................................................................................... 175 11.1 11.2 11.2.1 11.2.2 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.4 11.5 11.5.1 11.5.2 11.6 11.6.1 11.6.2 11.6.3 Eigenschaften des magnetischen Feldes .......................................................... Beschreibung des magnetischen Feldes ........................................................... Integrale Größen .............................................................................................. Ortsbezogene Größen ...................................................................................... Magnetische Kreise ......................................................................................... Magnetisierungskennlinie ...............…………………..................................... Ersatzschaltungen für magnetische Kreise ...................................................... Berechnung magnetischer Kreise .................................................................... Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter ....................……….............. Energie und Kräfte im magnetischen Feld ....................................................... Magnetische Energie ....................................................................................... LORENTZ-Kraft ................................................................................................ Elektromagnetische Induktion ......................................................................... Induktionsgesetz ................................................………………….................. Selbstinduktion und Induktivität ...................................................................... Gegeninduktion und Gegeninduktivität ........................................................... 135 137 137 138 139 139 141 142 143 147 147 149 151 152 152 153 155 157 157 158 162 163 175 177 177 178 179 179 181 183 189 191 191 192 195 195 199 200 10 Inhaltsverzeichnis 11.6.4 Transformatorgleichungen ...........................…................................................ 203 11.7 Wechselwirkungen ....................................…………….................................. 206 12 Elektrisches Verhalten der Spule .........................……................................ 208 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 Zusammenschaltung von Induktivitäten .......................................................... Unverkoppelte Induktivitäten .................…..................................................... Verkoppelte Induktivitäten ...........………....................................................... Transformator-Ersatzschaltungen ..........…….................................................. Schaltvorgänge an Spulen ................................................................................ Einschaltvorgang ............................................................................................. Ausschaltvorgang .............................................................…............................ Umschalten vormagnetisierter Spulen ............................................................. III Wechselstromlehre 13 Beschreibung von Wechselgrößen .........................................………........... 220 13.1 13.2 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.4 Periodische Zeitfunktionen .............................................................................. Sinusförmige Zeitfunktionen ........................................................................... Mittelwerte periodischer Zeitfunktionen ......................................................... Arithmetischer Mittelwert ............................................................................... Gleichrichtwert ................................................................................................ Effektivwert ..................................................................................................... Überlagerung sinusförmiger Zeitfunktionen ................................................... 14 Widerstände im Wechselstromkreis ............................................................ 231 14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.2 14.2.1 14.2.2 14.3 14.4 14.4.1 14.4.2 Elementare Zweipole ....................................................................................... Ohmscher Widerstand ...................................................................................... Induktiver Blindwiderstand ............................................................................. Kapazitiver Blindwiderstand ........................................................................... Reale Bauelemente .......................................................................................... Reale Spule ...................................................................................................... Realer Kondensator ......................................................................................... Elementarschaltungen ...................……........................................................... Zeigerbilder ...................…………................................................................... Gemischte RLC-Kombinationen ...............................…................................... Brückenschaltungen ......................................................................................... 15 Berechnung von Stromkreisen bei sinusförmiger Einspeisung .……….... 249 15.1 15.2 15.2.1 15.2.2 Berechnung im Zeitbereich ..................................................................…........ Berechnung im Bildbereich ...............................................................….......... Zeigerdarstellung ............................................................................................. Rechenregeln ..............……............................................................................. 208 208 208 210 212 212 213 214 220 221 222 222 223 224 226 231 231 232 233 234 234 235 236 238 238 240 249 250 250 251 Inhaltsverzeichnis 11 15.2.3 15.2.4 15.2.5 15.3 15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.4 15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.3 Transformationsregeln ..............................................................................…... Komplexer Widerstand .................................................................................... Komplexer Leitwert ..........................................................…........................... Gemischte Schaltungen im Wechselstromkreis ............................................... Rechnerische Lösung im Bildbereich .............................................................. Grafische Lösung im Bildbereich ..........................................................…...... Variation von Betriebsparametern .........................................................…...... Spezielle Wechselstromschaltungen ................................................................ Wechselstrom-Brücken ........……..............….................................................. Induktivitätsmessbrücke ............….................................................................. Kapazitätsmessbrücke ......................................................................…............ Phasendrehbrücke .........................................…............................................... 253 255 256 257 257 259 261 273 281 281 283 284 16 Frequenzabhängigkeit der Wechselstromkreise ......................................... 289 16.1 16.2 16.3 16.4 Komplexer Frequenzgang ............………........................................................ Tief- und Hochpässe ........................................................................................ Schwingkreise ..................................................………………........................ Übertragungsvierpole ....................................................................................... 17 Leistungsbetrachtungen im Wechselstromkreis ......................................... 314 17.1 17.2 17.3 17.4 Zeitfunktion der Leistung ................................................................................ Wirk-, Blind- und Scheinleistung .................................................................... Komplexe Leistung .......................................................................................... Leistungsfaktor und seine Verbesserung ......................................................... 18 Dreiphasensysteme ........................................................................................ 325 18.1 18.2 18.3 18.4 Symmetrische Drehstromgeneratoren .............................................................. Spannungen und Ströme .................................................................................. Belastungsarten ................................................................................................ Leistung im Dreiphasensystem ........................................................................ 19 Transformator ............................................................................................... 343 19.1 19.2 19.3 Idealer Transformator ...................................................................................... 343 Verlustloser und streuungsfreier Transformator .............................................. 344 Realer Transformator .....................................................................….............. 346 289 290 294 303 314 315 316 318 325 326 328 331 Übungsaufgaben ......................................................................................................... 347 Literaturverzeichnis ................................................................................................... 369 Sachwortverzeichnis ................................................................................................... 370 Formelzeichenverzeichnis
