Grundgebiete der Elektrotechnik 1

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1 Grundgebiete der Elektrotechnik 1 Gleichstromnetze, Operationsverstärkerschaltungen, elektrische und magnetische Felder von Prof. Dr.-Ing. Horst Clausert, TH Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Günther Wiesemann, FH Braunschweig / Wolfenbüttel 6., verbesserte Auflage Mit 264 Bildern und 5 Tabellen R. Oldenbourg Verlag München Wien 1993

2 Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Übungsbeispiele Einheiten und Gleichungen Einheitensysteme Maßsysteme Die Basiseinheiten Einige abgeleitete Einheiten Schreibweise von Gleichungen Größengleichungen Zahlenwertgleichungen Zugeschnittene Größengleichungen Der Begriff Dimension Grundlegende Begriffe Die elektrische Ladung Der elektrische Strom Die elektrische Spannung Der elektrische Widerstand Energie und Leistung Berechnung von Strömen und Spannungen in elektrischen Netzen Die Grundgesetze Das Ohmsche Gesetz Die Knotengleichung (1. Kirchhoffsche Gleichung) Die Umlaufgleichung (2. Kirchhoffsche Gleichung) Parallel- und Reihenschaltung Reihenschaltung von Widerständen Spannungsteiler Parallelschaltung von Widerständen Stromteiler Gruppenschaltung von Widerständen Brückenabgleich Schaltungssymmetrie Strom- und Spannungsmessung Anforderungen an Strom- und Spannungsmesser Eigenschaften des Drehspulmeßwerks Klassengenauigkeit Meßbereichserweiterung Strom-Meßbereichserweiterung Spannungs-Meßbereichserweiterung Meßwertkorrektur Spannungsrichtige Messung Stromrichtige Messung 49

3 Inhaltsverzeichnis 2.4 Lineare Zweipole Generator- und Verbraucher-Zählpfeilsystem Spannungsquellen Linearität Quellen-Ersatzzweipole Die Ersatzspannungsquelle Die Ersatzstromquelle Äquivalenz von Zweipolen Leistung an Zweipolen Wirkungsgrad Leistungsanpassung Nichtlineare Zweipole Kennlinien nichtlinearer Zweipole Grafische Bestimmung des Stromes in Netzen mit einem nichtlinearen Zweipol Der Überlagerungssatz (Superpositionsprinzip nach Helmholtz) Stern-Dreieck-Transformation Umwandlung eines Dreiecks in einen Stern Umwandlung eines Sterns in ein Dreieck Vor- und Nachteile der Netzumwandlung Umlauf- und Knotenanalyse linearer Netze Die Bestimmungsgleichungen für die Ströme und Spannungen in einem Netz; lineare Abhängigkeit Topologische Grundbegriffe beliebiger Netze Umlaufanalyse Unabhängige und abhängige Ströme; Maschenströme Das Schema zur Aufstellung der Umlaufgleichungen Die Auswahl des vollständigen Baumes Knotenanalyse Abhängige und unabhängige Spannungen Das Schema zur Aufstellung der Knotengleichungen Vergleich zwischen Umlauf- und Knotenanalyse Gesteuerte Quellen (Operationsverstärker und Transistor als gesteuerte Quellen) Operationsverstärkerschaltungen Der ideale Operationsverstärker Komparatoren Rückkopplungsprinzipien Übersicht Arbeitsgeraden Stabile und instabile Arbeitspunkte Spannungs-Übertragungsfunktionen Dimensionierung von Schmitt-Triggern Anwendungen des Umkehrverstärkers Kombination von invertierender mit nichtinvertierender Gegenkopplung Kombination von invertierender mit nichtinvertierender Mitkopplung Kombination von Gegenkopplung und Mitkopplung 144 r

4 8 Inhaltsverzeichnis Mit- und Gegenkopplungsfaktor Spannungsgesteuerte Stromquelle Negativer Eingangswiderstand (NIC) Elektrostatische Felder Skalare und vektorielle Feldgrößen Die elektrische Feldstärke und die Potentialfunktion Das Coulombsche Gesetz Die elektrische Feldstärke Die Potentialfunktion Die Erregung des elektrischen Feldes Die elektrische Verschiebungsdichte Der Gaußsche Satz der Elektrostatik Die Potentialfunktion spezieller Ladungsverteilungen Die Punktladung Der Dipol Die Linienladung Influenzwirkungen Die Kapazität Die Definition der Kapazität Parallel-und Reihenschaltung von Kapazitäten Die Kapazität spezieller Anordnungen Der Plattenkondensator Der Kugelkondensator Das Koaxialkabel Spezielle Methoden der Feldberechnung Das Prinzip der Materialisierung Die Kästchenmethode Energie und Kräfte Elektrische Energie und Energiedichte Kräfte im elektrostatischen Feld Bedingungen an Grenzflächen Kondensatorschaltungen Aufladung ungeladener Kondensatorschaltungen Ladungsausgleich zwischen Kondensatoren Stationäre elektrische Strömungsfelder Die Grundgesetze und ihre Entsprechungen im elektrostatischen Feld Methoden zur Berechnung von Widerständen 204

5 Inhaltsverzeichnis Anwendung auf Erdungsprobleme Bedingungen an Grenzflächen Stationäre Magnetfelder Einführung Kräfte im magnetischen Feld und die magnetische Flußdichte Die Kraft zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern Die magnetische Flußdichte Die Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Die Erregung des Magnetfeldes Die magnetische Feldstärke Das Durchflutungsgesetz Das Gesetz von Biot-Savart Der magnetische Fluß Bedingungen an Grenzflächen Magnetische Kreise Grundlagen und Analogien Der magnetische Kreis ohne Verzweigung Der magnetische Kreis mit Verzweigung Nichtlineare magnetische Kreise Eine Methode zur Bestimmung der Magnetisierungskennlinie Das Verfahren der Scherung Der Dauermagnet Zeitlich veränderliche magnetische Felder Induktionswirkungen Das Induktionsgesetz in einfacher Form Die Lenzsche Regel Die zweite Maxwellsche Gleichung Weitere Formen des Induktionsgesetzes Eine Folgerung aus dem Induktionsgesetz Die magnetische Feldenergie Die zum Aufbau des Feldes erforderliche Energie Die Hystereseverluste Induktivitäten Die Selbstinduktivität Die Gegeninduktivität Die magnetische Energie eines Systems stromdurchflossener Leiterschleifen Methoden zur Berechnung von Selbst- und Gegeninduktivitäten i

6 10 Inhaltsverzeichnis 6.4 Magnetische Feldkräfte Die Berechnung von Kräften über die Energie Kräfte bei Elektromagneten Die erste Maxwellsche Gleichung 255 Sachverzeichnis 258 (Literaturverzeichnis in Band 2) (Abschnitte 0 und 1; 3.1 bis 3.9; 4 bis 6: H. Clausert. Abschnitt 2.8.6: H. Clausert und G. Wiesemann. Abschnitte 2.1 bis 2.8.5; 2.9; 3.10: G. Wiesemann.)