Inhaltsverzeichnis.

Transkript

1 1 Grundbegriffe Physikalische Größen und Einheiten Physikalische Größen Charakter der physikalischen Größen Formelzeichen und ihre Darstellung Vektoren, Matrizen Zeitabhängige Größen 3 " Komplexe Größen Einheiten SI-Basiseinheiten Abgeleitete SI-Einheiten Gesetzliche Einheiten außerhalb des SI-Einheitensystems Dezimale Vielfache von Einheiten Physikalische Gleichungen Größengleichungen Zugeschnittene Größengleichungen Elektrische Grundgrößen Elektrische Ladung Elektrischer Strom Technische Stromrichtung Elektrisches Potenzial Elektrische Spannung Grundlegende Begriffe Modellieren, Modell Klemme, Zweipol, Dreipol, n-pol Aktiver und passiver Zweipol Erzeuger und Verbraucher : Tor, Torbedingung, Zweitor Elektrisches Netzwerk Schaltzeichen, Schaltplan Ersatzschaltbild Analyse und Synthese Zählpfeile, Zählpfeilsysteme Strom- und Spannungszählpfeile Zählpfeilsysteme an Zweipolen? Verbraucher-Zählpfeilsystem Erzeuger-Zählpfeilsystem 25 VI

2 VII Zählpfeile an Zweitoren Symmetrisches Zählpfeilsystem Ketten-Zählpfeilsystem 26 2 Gleichstromnetzwerke Grundgesetze im unverzweigten Gleichstromkreis Ohmsches Gesetz Zusammenhang zwischen Strom und Spannung Elektrischer Leitwert, elektrischer Widerstand Elektrische Widerstände Elektrische Leitfähigkeit, spezifischer elektrischer Widerstand Lineare Widerstände Nichtlineare Widerstände Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Ausführungsformen von Widerständen Elektrische Quellen Ideale Spannungsquelle Ideale Stromquelle Allgemeine lineare Quelle Lineare Spannungsquelle, lineare Stromquelle Reale Quellen Energie und Leistung Energieumsatz von Zweipolen Leistungsumsatz von Zweipolen Interpretation von berechneten Leistungen Verluste und Wirkungsgrad Leerlauf, Kurzschluss und Leistungsanpassung bei linearen Quellen Leistungsbilanz Verzweigte Gleichstromkreise Knoten, Zweig, Masche Knoten Zweig Masche Kirchhoffsche Gesetze Knotensatz (1. Kirchhofisches Gesetz) Maschensatz (2. Kirchhofisches Gesetz) Parallelschaltung von Widerständen Gesamtwiderstand Stromteilerregel Reihenschaltung von Widerständen Gesamtwiderstand Spannungsteilerregel Gemischte Schaltungen " Belasteter Spannungsteiler Mehrstufiger Spannungsteiler Brückenschaltungen 78

3 VIII Inhaltsverzeichnis Struktur Abgleichbedingung Sternschaltungen, Dreieckschaltungen Struktur Dreieck-Stern-Transformation Stern-Dreieck-Transformation Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung Ideale und reale Strommesser Ideale und reale Spannungsmesser Indirekte Strommessung Stromrichtiges und spannungsrichtiges Messen Leistungsmessung Kompensationsmessverfahren Analyse linearer Gleichstromnetzwerke Grundlagen Kennzeichen linearer Gleichstromnetzwerke Bei der Netzwerkanalyse zu lösende mathematische Aufgabe Topologie und Graph eines Netzwerks Vollständiger Baum eines Graphen Baumzweige, Verbindungszweige Netzwerkumformung Rekursive Berechnung Knoten- und Maschenanalyse Prinzip des Verfahrens Vörgehensweise Matrixschreibweise des Gleichungssystems Modifiziertes Verfahren zur Behandlung von Stromquellen Anwendung des Überlagerungssatzes Prinzip des Verfahrens Vorgehensweise Netzwerkanalyse mit Ersatz-Quellen Prinzip des Verfahrens Ersatz-Spannungsquelle Ersatz-Stromquelle Vorgehensweise Maschenstromverfahren Prinzip des Verfahrens Behandlung von Stromquellen Vorgehensweise Vereinfachtes Aufstellen der Matrizengleichung Knotenpotenzialverfahren Prinzip des Verfahrens Behandlung von Spannungsquellen Vorgehensweise Vereinfachtes Aufstellender Matrizengleichung Vergleich der Berechnungsverfahren Analyse nichtlinearer elektrischer Netzwerke 140

4 IX Linearisierung im Arbeitspunkt Grafische Arbeitspunktbestimmung Stabilität des Arbeitspunktes Numerische Berechnung Grundlagen der numerischen Netzwerkanalyse Das Programm SPICE Datenfluss in Netzwerkanalyse-Programmen Struktur einer integrierten Schaltungssimulations-Umgebung Das SPICE Netzlistenformat Berechnung linearer Gleichstromnetzwerke mit SPICE im Stapelbetrieb Elektrisches Potenzialfeld Definition und Wirkung der elektrischen Ladung Definition der elektrischen Ladung Reale Ladungsverteilungen und ihre Beschreibung Ladungserhaltungssatz und Kontinuitätsgleichung Wirkungen der elektrischen Ladung Coulombsches Gesetz Feldwirkung der elektrischen Ladung Elektrisches Strömungsfeld Wesen und Darstellung des elektrischen Strömungsfeldes Driftladung Driftgeschwindigkeit und elektrische Stromdichte Stromdichte und Strom Elektrische Feldstärke und elektrische Spannung Elektrisches Potenzial Leistungsdichte im elektrischen Strömungsfeld Elektrisches Feld in Nichtleitern Wesen und Darstellung des elektrischen Feldes in Nichtleitern Elektrische Feldstärke und Spannung Elektrisches Potenzial und Eigenschaften des Potenzialfeldes Elektrische Flussdichte und elektrischer Fluss Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und Spannung Kapazität Zeitliche Änderung von Strom und Spannung im Kondensator Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren Energie und Kräfte im elektrischen Feld Gespeicherte Energie im elektrischen Feld Verlustleistung im elektrischen Feld Kräfte auf Grenzflächen im elektrischen Feld Magnetisches Feld Beschreibung und Berechnung des magnetischen Feldes Wesen und Darstellung des magnetischen Feldes Wirkungen und Ursachen des magnetischen Feldes Feldbilder und Feldlinien Feldrichtung und Polarität 217

5 4.1.2 Vektorielle Feldgrößen des magnetischen Feldes Magnetische Flussdichte Elektrische Durchflutung Magnetische Feldstärke Einheiten der magnetischen Feldgrößen Integrale Größen des magnetischen Feldes Magnetische Spannung Durchflutungssatz Magnetischer Fluss Ohmsches Gesetz des magnetischen Kreises Überlagerung magnetischer Felder Magnetisches Feld in Materie Verhalten von Materie im Magnetfeld Brechung magnetischer Feldlinien an Grenzflächen Magnetisches Feld in Ferromagnetika Ferromagnetische Eigenschaften Hystereseschleife Magnetisierungskurve Permeabilität und Suszeptibilität Dauermagnete Berechnung des magnetischen Feldes in Eisenkreisen Magnetische Streuung und Randverzerrung Berechnung der elektrischen Durchflutung Wirkungen im magnetischen Feld Spannungserzeugung im magnetischen Feld, elektrisches Wirbelfeld Induktionswirkung im bewegten Leiter Induktionswirkung im zeitvarianten Magnetfeld Induktionsgesetz Selbstinduktionsspannung Selbst- und Gegeninduktivität Selbst- und Gegeninduktionsspannung im Verbraucher-Zählpfeilsystem Wirbelströme Energie und Kräfte im magnetischen Feld Energie des magnetischen Feldes Kraftwirkung auf Grenzflächen Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern Vergleich der elementaren elektrischen und magnetischen Felder Maxwellsche Gleichungen 303 Wechselstromtechnik Periodische Zeitfunktionen Periodendauer, Grundfrequenz, Grundkreisfrequenz Maximalwert, Minimalwert, Spitze-Spitze-Wert Arithmetischer Mittelwert Wechselgrößen, Mischgrößen 309

6 XI Scheitelwert Gleichrichtwert Effektivwert Scheitelfaktor, Formfaktor Sinusgrößen Erzeugung von Sinusspannungen Kennwerte von Sinusgrößen Amplitude Periodendauer, Frequenz, Kreisfrequenz Nullphasenwinkel, Nullzeit Phasenverschiebungswinkel Arithmetischer Mittelwert Gleichrichtwert Effektivwert Scheitelfaktor, Formfaktor Beschreibung von Sinusgrößen durch Zeiger Zählpfeile für Sinusgrößen Addition und Subtraktion gleichfrequenter Sinusgrößen Differenziation und Integration von Sinusgrößen Komplexe Größen der Sinusstromtechnik Darstellung komplexer Größen Rechenregeln für komplexe Größen Komplexe Gleichungen Komplexe Spannungen und Ströme Komplexe Scheitelwertzeiger Komplexe Effektivwertzeiger Komplexe Widerstände und Leitwerte Leistung in Sinusstromnetzwerken Wirkleistung Scheinleistung Komplexe Leistung Leistungsfaktor Ideale passive Zweipole bei Sinusstrom Ohmscher Widerstand Spannung, Strom und Phasenverschiebungswinkel Wirkwiderstand und Wirkleitwert Wirkleistung Induktivität Spannung, Strom und Phasenverschiebungswinkel Induktiver Blindwiderstand und induktiver Blindleitwert Induktive Blindleistung Kapazität Spannung, Strom und Phasenverschiebungswinkel , Kapazitiver Blindwiderstand und Blindleitwert Kapazitive Blindleistung Gegenüberstellung der idealen passiven Zweipole Kirchhoffsche Gesetze 361

7 XII* Inhaltsverzeichnis Knotensatz Maschensatz Reihen- und Parallelschaltung passiver Zweipole Reihenschaltung passiver Zweipole Gesamtimpedanz Spannungsteilerregel Reihenschaltungen der Grundzweipole Parallelschaltung passiver Zweipole Gesamtadmittanz Stromteilerregel Parallelschaltungen der Grundzweipole Gemischte Schaltungen Analogien zwischen Gleich- und Sinusstromnetzwerken Dualitätsbeziehungen bei Sinusstromnetzwerken Leistung in Sinusstromnetzwerken Addition von Leistungen, Leistungsbilanzen Blindleistungskompensation Leistungsanpassung Leistungsmessung Ersatzschaltungen realer passiver Zweipole Verlustwinkel Verlustfaktor Güte Modelle realer passiver Zweipole Bedingt und unbedingt äquivalente Schaltungen Reihen-Ersatzschaltungen Parallel-Ersatzschaltungen Gemischte Ersatzschaltungen Transformator Idealer Transformator Verlust- und streuungsloser Transformator Transformator mit Streuung ohne Verluste Transformator mit Streuung und Kupferverlusten Transformator mit Streuung und Verlusten Vereinfachte Ersatzschaltung mit reduzierten Größen Ortskurven Grundlagen Konstruktion einfacher Ortskurven Inversion von Ortskurven Betrags- und Phasenwinkeldiagramme Filterschaltungen und Schwingkreise Filterschaltungen Grundlegende Begriffe v* Übertragungsfunktion Ordnung eines Filters 445

8 XIII Betragsfrequenzgang Phasenfrequenzgang Pegel, Dämpfung..." Bode-Diagramm, Eckfrequenz Grenzfrequenz, Durchlassbereich, Sperrbereich Einfache Filterschaltungen Tiefpässe Hochpässe Bandpässe Bandsperren Allpässe Schwingkreise Freie Schwingungen Erzwungene Schwingungen Kenngrößen von Schwingkreisen Resonanzbedingung, Resonanzfrequenz, Kennfrequenz Normierte Frequenz, Verstimmung Kennwiderstand, Kennleitwert Güte. Dämpfung Grenzfrequenzen, Bandbreite Elementare Schwingkreise Elementarer Reihenschwingkreis Elementarer Parallelschwingkreis Vergleich der elementaren Schwingkreise Nichtelementare Schwingkreise mit einem Freiheitsgrad Schwingkreise mit mehreren Freiheitsgraden Mehrphasensysteme Verkettete Mehrphasensysteme 489' Schaltungsarten Mehrphasengenerator Sternschaltung Ringschaltung Zweiphasensysteme Symmetrisches Zweiphasensystem Unsymmetrisches Zweiphasensystem Drehfelderzeugung Symmetrisches Dreiphasensystem Spannungen und Ströme Benennungen Spannungen Symmetrische Sternschaltung Symmetrische Dreieckschaltung Leistung bei symmetrischer Last M' Augenblicksleistung Wirk-, Blind- und Scheinleistung Blindleistungskompensation 503

9 8.3 Unsymmetrische Dreiphasenbelastung Vierleiternetz Allgemeine Belastung Leistungsmessung Dreileiternetz Dreieckschaltung Sternschaltung Leistungsmessung 512 Nichtsinusfönnige Ströme und Spannungen Fourier-Analyse periodischer Zeitfunktionen Aufjgabenstellung Näherungsfunktion Approximation nach dem kleinsten mittleren Fehlerquadrat Fourier-Reihen Berechnung der Fourier-Koeffizienten Unendliche Fourier-Reihe Sonderfälle Komplexe Fourier-Reihe Kennwerte periodischer Größen Effektivwert Schwingungsgehalt, Welligkeit, Grundschwingungsgehalt, Klirrfaktor, Total Hormonic Distortion Nichtsinusförmige Wechselgrößen in linearen Netzwerken Lineare Verzerrungen Differenziation und Integration nichtsinusförmiger Wechselgrößen Nichtlineare Wechselstromnetzwerke Nichtlineare Verzerrungen Gleichrichterschaltungen Spule mit ferromagnetischem Kern (Eisendrossel) Leistung bei nicht sinusförmigen Klemmengrößen Nichtsinusförmige Spannungen und Ströme Nichtlineare Zweipole an Sinusspannung Schaltvorgänge in linearen elektrischen Netzwerken Berechnungsverfahren Aufstellen der Differenzialgleichung Lösungsverfahren Exponentialansatz Partikuläre Lösung Schalten von Gleichströmen und -Spannungen Idealisiertes Einschalten von RC- und RL-Schaltungen Idealisiertes Ausschalten von RC- und RL-Schaltungen Schalten von Schwingkreisen Schalten von Sinusströmen und -Spannungen Schalten einer RL-Reihenschaltung an eine Sinusspannung Schalten einer RC-Reihenschaltung an eine Sinusspannung Schalten eines Reihenschwingkreises an eine Sinusspannung

10 XV Ausschalten von Sinusströmen Elektrische Leitungsmechanismen Elektrische Leitung im Vakuum Elektronenemission in das Vakuum Elektronenströmung im Vakuum Bewegung im elektrischen Feld Bewegung im magnetischen Feld Technische Nutzung Elektronenröhre ohne Gitter Elektronenröhre mit Gitter Oszilloskop-Röhren Röntgenröhren Elektrische Leitung in Gasen Ladungsträger in Gasen Generation und Rekombination von Ladungsträgern Entladungsformen Unselbstständige Entladung Selbstständige Entladung Technische Nutzung der Gasentladung Elektrische Leitung in Flüssigkeiten Mechanismus der elektrolytischen Leitung Ladungs-, Massen- und Strombilanzen Faradaysche Gesetze Elektrolytische Spannung galvanischer Zellen Zersetzungs- und Polarisations-Spannung Technische Nutzung elektrischer Leitung in Flüssigkeiten Elektrochemische Stromerzeuger Elektrolyse, Galvanik und Korrosion Elektrische Leitung in homogenen kristallinen Festkörpern Kristallaufbau von Metallen, Halbleitern und Isolatoren Energiebändermodell Energiewerte der Elektronen im Einzelatom Energiewerte der Elektronen im kristallinen Festkörper, Klassifizierung nach Metallen, Halbleitern und Isolatoren Elektrische Leitung in Metallen Normalleitung Supraleitung Technische Nutzung Elektrische Leitung in Halbleitern Eigenleitung Störstellenleitung Feld- und Diffusionsstrom Stromleitung bei Lichteinstrahlung, Photowiderstand Stromleitung bei Magnetfeldeinwirkung, Feldplatte Elektrische Leitung in Isolatoren Elektrische Leitung in geschichteten kristallinen Festkörpern 637

11 "XVI Inhaltsverzeichnis Der pn-übergang Halbleiterdioden Strom-Spannungs-Charakteristik eines realen pn-übergangs Gleichrichter- und Misch-Dioden Z-Dioden Schaltdioden Varaktordioden pin-dioden Aktive Mikrowellendioden TVansistoren Feldeffekttransistoren Bipolartransistoren Thyristoren Thyristor-Dioden Thyristor Vom Thyristor abgeleitete Bauelemente Stromleitung bei Lichteinwirkung Lichtdetektoren Lichtemitter Optoelektronische Koppler Integrierte Schaltungen Allgemeine Gesichtspunkte Schaltungsfamilien 678 Literaturverzeichnis 681 A Anhang. 685 A.l Griechisches Alphabet 685 A.2 SI-Einheiten 685 A.3 Elektrische Leitungseigenschaften einiger Werkstoffe 687 A.4 Schaltzeichen 688 A.5 Symbole und Schreibweisen 689 A.6 Indizes 689 A.7 Formelzeichen 690 A.8 Werte der Normreihe E A.9 Werte wichtiger Naturkonstanten 692 Stichwortverzeichnis 693