Dieter Zastrow. Elektrotechnik

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1 Dieter Zastrow Elektrotechnik

2 Dieter Zastrow Elektrotechnik Ein Grundlagenlehrbuch 14., uberarbeitete Auflage Mit 496 Abbildungen, 134 Lehrbeispielen und 221 Ubungen mit L6sungen II vleweg

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz fur diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhaltlich. 1. Auflage , durchgesehene Auflage , ilberarbeitete und erweiterte Auflage , verbesserte Auflage , durchgesehene Auflage , verbesserte Auflage , durchgesehene Auflage , vollstandig ilberarbeitete Auflage , verbesserte Auflage , verbesserte Auflage , ilberarbeitete Auflage , korrigierte Auflage , ilberarbeitete Auflage , ilberarbeitete Auflage 2000 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/ Wiesbaden, 2000 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiltzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Wolfgang Nieger, Wiesbaden Satz: Vieweg, Braunschweig/ Wiesbaden; Publishing Service Helga Schulz, Dreieich Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI / /

4 Vonvort v Die Konzeption des Buches fiir die 14. Auflage wurde nicht verlindert, aber an einigen Stellen in begrifflich-sprachlichen Details modemisiert. Der bisherige Untertitel Lehr- und Arbeitsbuch wurde in Grundlagenlehrbuch abgelindert. Damit wird auch der Zubringerdienst dieses immer noch beeindruckend schonen Fachgebietes flir nachfolgende technologische Anwendungsbefeiche zum Ausdruck gebracht. Dieses Grundlagenlehrbuch mit seinem ausgepdigten Dbungsteil vermittelt die Grundlagen der Elektrotechnik auf einem mittleren mathematischen Niveau und fordert das Verstlindnis flir elektrische Vorglinge und Schaltungen sowie der anzuwendenden rechnerischen und graphischen Analyseverfahren einschlieblich der messtechnischen Erfassung def elektrischen GrundgroBen. Die Resonanz auf die bisherigen Auflagen bestatigt die Annahme, dass eine Grundlagenlehrbuch flir ein mittleres Niveau def Elektrotechnik eine breite Leserschaft findet im Bereich der Fachschulen (Technikerschulen) sowie beruflicher Gymnasien und Berufskollegs (Fachrichtung Technik) als auch im Fachhochschulbereich verschiedener Studienglinge zur Begleitung von Grundlagenvorlesungen, wenn nicht der ganz hohe mathematische Anspruch gestellt wird. An einigen Stellen dieses Grundlagenlehrbuches werden auch weiterhin Differentiale und Integrale wegen der korrekten Beschreibung von Definitionen und Lehrsatzen verwendet. Dieser Anspruch erscheint auch im Rahmen der Technikerausbildung vertretbar zu sein vor dem Hintergrund, dass die Absolventen die Fachhochschulreife zugesprochen bekommen und ein entsprechender Mathematikunterricht erteilt wird. Einige Hinweise zu den mathematischen Kenntnissen sind noch in den Arbeitshinweisen zu diesem Buch ausgefiihrt. Besonderer Wert wird auf die Eigentatigkeit der Lemenden gelegt: 40 % des Buchumfangs entfallen auf Beispiele und Vbungsaufgaben und deren ausflihrliche Losungen, so da~ auch ein kontrolliertes Selbststudium moglich ist. Die Vbungsaufgaben verfolgen drei unterschiedliche Zielsetzungen und sind durch Symbole gekennzeichnet. Nahere Einzelheiten finden Sie in den Arbeitshinweisen zu dies em Buch, die zugleich auch als Hilfestellung ffir Leser gedacht sind, die nach Jahren der Berufspraxis wieder vor dem Problem Lernen stehen. Ein den Kapiteln zugeordneter Wissensspeicher kann bei der Vorbereitung auf Priifungen und flir die stets erforderlichen Wiederholungen gute Dienste leisten, da er das Kemwissen in strukturierter Form auf wenigen farbigen Seiten bereithalt. Gem statte ich zum Schlu~ dem Verlag Vieweg fur das Eingehen auf meine Wiinsche und den Kollegen aus dem Leserkreis ffir ihre Anregungen zur Verbesserung des Buches meinen herzlichen Dank ab. Ellerstadt, April 2000 Dieter Zastrow

5 VI Inhaltsverzeichnis Arbeitshinweise zu diesem Buch XII 1 Elektrische Ladung Beobachtungen und Grundannahmen Atomistische Deutung Ladungstrennung Ladungstrager Ladungsmenge Vertiefung und ()bung Elektrische Energie Energietransportaufgabe des Stromkreises Elektrisches Feld als Erklarungsmodell Potential Potentialdifferenz PotentialgefaIle Potential und Spannungsmessung Vertiefung und ()bung Elektrische Stromung Stromrichtung und Stromstarke Zeitlich konstante Stromung Zeitlich veranderliche Stromung Transportierte Ladungsmenge Messen der Stromstarke Stromdichte Vertiefung und ()bung Elektrischer Widerstand Widerstandsbegriff Lineare Widerstande Nichtlineare Widerstande Ohmsches Gesetz Temperaturabhangigkeit des Widerstandes Vertiefung und ()bung

6 Inhaltsverzeichnis 5 Grundstromkreise Grundgesetze der Stromkreise Reihenschaltung von Widerstanden Parallelschaltung von Widerstanden Spannungsquelle mit Innenwiderstand Stromquelle mit Innenwiderstand Vertiefung und Ubung Energieumsetzung im Verbraucher Elektrische Arbeit Joulesches Gesetz Elektrische Leistung Strom- und Spannungsabhangigkeit der Leistung Nennleistung Energieumwandlung und Wirkungsgrad Energielibertragung und Wirkungsgrad Leistungsanpassung Vertiefung und tjbung Verzweigte S tromkreise Losungsmethodik fur verzweigte Stromkreise mit bekannten Widerstandswerten Losungsmethodik fur verzweigte Stromkreise mit gesuchten Widerstandswerten Losungsmethodik fur Schaltungen mit einem nichtlinearen Widerstand Wheatstonesche Bruckenschaltung Vertiefung und tjbung Netzwerke Netzwerk Kreisstromverfahren tjbedagerungsmethode Vertiefung und Ubung Ersatzquellen Ersatzschaltungen Ersatzspannungsquelle Ersatzstromquelle Vergleich der Ersatzquellen Ersatzschaltungen zur Nachbildung nichtlinearer I-U-Kennlinien Vertiefung und tjbung VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis 10 Eigenschaften und Bemessung des Spannungsteilers Leerlauffall Belastungsfall Linearitatsfehler des belasteten Spannungsteilers Dimensionierung des Spannungsteilers Vertiefung und Dbung Elektrostatisches Feld Elektrostatisches Feld des Plattenkondensators Kapazitiit Kapazitatsberechnung Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren Kapazitive Kopplung von Stromkreisen Energie des elektrostatischen Feldes Kriifte im elektrostatischen Feld Vertiefung und Dbung Ladungsvorgange bei Kondensatoren Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom Kondensatoraufladung tiber Vorwiderstand an konstanter Spannung Entladung des Kondensators tiber einen Widerstand Vertiefung und Ubung Magnetisches Feld Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters Induktivitiit Induktivitiitsberechnung Magnetische Eigenschaften des Eisens Magnetischer Kreis Energieumsatz in der Spule Hystereseverluste Kraftwirkungen Vertiefung und Dbung Induktion Induktion in der Leiterschleife Induktionsgesetz Induktionsspule Generatorprinzip Selbstinduktion Vertiefung und Dbung Schaltvorgang bei Spulen in Gleichstromkreisen Einschaltvorgang Abschaltvorgang

8 Inhaltsverzeichnis IX 15.3 Begriffsdefinitionen und Obersicht fur die Gleichstromschaltvorgange Vertiefung und Obung Sinusformige Anderungen elektrischer Gro~en Darstellung sinusf6rmiger Gr6~en Frequenz, Kreisfrequenz Zeichnerische Darstellung u = 1ft) und u = I( wt) Vertiefung und Obung Mittelwerte periodischer Gro~en Arithmetischer Mittelwert: Gleichanteil der Gr6~e Gleichrichtwert Quadratischer Mittelwert: Effektivwert der Gr6~e Scheitelfaktor(Crestfaktor), Formfaktor Vertiefung und Obung Addition frequenzgleicher Wechselgro~en Nullphasenwinkel, Phasenverschiebungswinkel Addition von Wechselspannungen Subtraktion von Wechselspannungen Vertiefung und Obung Idealer Wirkwiderstand im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohmsches Gesetz, Wirkwiderstand Vertiefung und Obung Idealer Kondensator im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohmsches Gesetz, kapazitiver Blindwiderstand Vertiefung und Obung Ideale Spule im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohmsches Gesetz, induktiver Blindwiderstand Vertiefung und Obung Grundschaltungen im Wechselstromkreis 22.1 Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator Phasenlage zwischen Strom und Spannung

9 x Inhaltsverzeichnis Ohmsches Gesetz, Scheinleitwert Ersatzschaltung des Kondensators Energieumsatz Leistung Reihenschaltung von Widerstand und Spule Phasenlage zwischen Strom und Spannung Ohmsches Gesetz, Scheinwiderstand Ersatzschaltung der Spule ohne Eisen Energieumssetzung, Leistung Vertiefung und Ubung Einftihrung der komplexen Rechnung Komplexe Darstellung von sinusformigen GraBen Defmition der Widerstands- und Leitwert-Operatoren Standard-Problemstellungen flir komplexe Rechnung Xquivalente Schaltungen Komplexer Widerstand von Netzwerken Komplexer Spannungsteiler Komplexer Stromteiler Besondere Phasenbedingung Schaltungsanalyse mit Hilfe von Zeigerdiagrarnmen Zeigerdiagrammtechnik Zeigerdiagramm einer Phasenschieberschaltung Zeigerdiagramm zur Blindstromkompensation Zeigerdiagramm der eisengeflillten Spule Ortskurven Vertiefung und Obung Frequenzgang von RC-Gliedern Frequenzgang TiefpaB HochpaB Vertiefung und Obung Schwingkreis, Resonanzkreis Schwingkreis und freie Schwingung Reihen-Resonanzkreis Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand Resonanzkurven bei konstanter Eingangsspannung Parallel-Resonanzkreis Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand Resonanzkurve bei konstantem Eingangsstrom Bandbreite und KreisgUte Vertiefung und Obung

10 Inhaltsverzeichnis XI 26 Transformatoren Gesetze des idealen Transformators Realer Transformator Strom- und Spannungsverhalten des realen Transformators Vertiefung und Obung Dreiphasensystem Drehstromquelle Verkettungsmoglichkeiten Potentialdiagramm des Vierleiter-Dreiphasensystems Spannungen und Strome bei Sternschaltung der Verbraucher Spannungen und Strome bei Dreieckschaltung der Verbraucher Leistung bei Drehstrom Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes Vertiefung und Obung Losungen der tibungen Memory 395 Sachwortverzeichnis

11 XII Arbeitshinweise zu diesem Buch Lernen Lemen, urn etwas verstehen und begreifen zu konnen, erfordert eine Aktivitiit der Person mit dem Ziel, sich ein gut strukturiertes Grundlagenwissen anzueignen und durch Bearbeitung von Ubungsaufgaben zu erproben. Lerntechnik Einige Regeln haben sich fur das Arbeiten mit dem Buch bewahrt: - Unterstreichen Sie wichtige Begriffe, und machen Sie sich deren inhaltliche Bedeutung klar. - Lemen Sie die Definitionen sehr exakt. - Lesen Sie den Lehrbuchtext eines Abschnitts nach dem Durcharbeiten des Beispiels noch einmal. - Spiiren Sie scheinbare Unstimmigkeiten zwischen Erklarungen von Unterricht und Lehrbuch auf, und entwickeln Sie daraus Fragestellungen. - Beginnen Sie mit der Ausarbeitung eines eigenen schriftlichen Konzepts, wobei die Unterrichtsergebnisse als Leitfaden dienen. - Versuchen Sie das Wesentliche mit noch weniger Worten darzustellen. Skizzen und Stichworte geniigen oftmals, wenn man einen Stoff verstanden hat. - Bearbeiten Sie moglichst viele Beispiele und Ubungsaufgaben selbstandig in schriftlicher Form. - Suchen Sie zu bereits gelosten Aufgaben noch einen zweiten Losungsweg. Sie machen Ihr Wissen dadurch anwendungsbereiter. Am ungliicklichsten lemen Sie, wenn Sie den Lehrstoff gedankenlos auswendiglemen. Am vorteilhaftesten lemen Sie, wenn Sie sich auf den Unterricht vorbereiten. Vorlemen ist besser als Nachlemen.

12 Arbeitshinweise zu diesem Buch XIII Mathematische Kenntnisse Lehrstoff Beispiele Aufgabentyp Losungen Memory Dieses Lehr- und Arbeitsbuch der Elektrotechnik verzichtet nicht auf die erforderlichen mathematischen Beschreibungsmittel zur korrekten Angabe von Definitionen und Lehrsatzen bzw. zur rationellen Schaltungsberechnung. Es werden jedoch keine erhohten mathematischen Vorkenntnisse vorausgesetzt. Differentiale und Integrale werden anschaulich eingeflihrt und mit graphischen Verfahren oder durch einfache Uberlegungen gelost; eine rechnerische Behandlung bleibt ausgeklammert. Die Rechenregeln zur komplexen Rechnung werden an elektrotechnischen Beispielen ausflihrlich erlautert. Der Lehrstoff wird anschaulich dargestellt, so dab sich ein Verstiindnis /iir elektrische Zusammenhiinge bilden kann. Erst am Ende von Erkenntnisprozessen werden mathematische Schreibweisen und -verfahren eingeflihrt. Da bekannt ist, dab elektrische Vorgange, die man durch- oder nachrechnen kann, besser verstanden werden als jene, die nur in ihrer Wirkungsweise beschrieben werden, wird der Lehrstoff besonders durch Rechenbeispiele veranschaulicht. Ob Sie einen echten Lernfortschritt gemacht haben, konnen Sie bei der selbstiindigen Losung der vorhandenen Ubungsau/gaben feststellen. Dabei bedeuten die Zeichen:... Dbungen, deren Besonderheit eine Losungsleitlinie ist. ~ Ubungen, die den typischen Priifungsaufgaben entsprechen. Ubungen, die das Verstandnis flir Begriffe, Zusammenhange und Modellvorstellungen fordern. Zum Zwecke der Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgaben ein vollstiindiger Losungsweg im Anhang des Buches. Auf den gelben Seiten finden Sie ein Memory. Es enthalt das von Ihnen geforderte Grundwissen, geordnet nach den Kapiteln des Lehrbuches. Das Memory kann Ihnen bei der Vorbereitung auf Priifungen und bei den stets erforderlichen Wiederholungen gute Dienste leisten, da es das Kernwissen in struktulierter Form aufwenigen Seiten bereithiilt.