Dieter Zastrow. Elektrotechnik

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1 Dieter Zastrow Elektrotechnik

2 Dieter Zastrow Elektrotechnik Lehr- und Arbeitsbuch 11., iiberarbeitete Aufiage Mit 496 Abbildungen, 134 Lehrbeispielen und 221 Ubungen mit Losungen Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Zastrow, Dieter: Elektrotechnik: Lehr- und Arbeitsbuch / Dieter Zastrow , iiberarb. Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1991 (Viewegs Fachbiicher der Technik) ISBN-I3: e-isbn-i3: : / Auflage , durchgesehene Auflage , Uberarbeitete und erweiterte Auflage , verbesserte Auflage , durchgesehene Auflage :, verbesserte Auflage , durchgesehene Auflage , vollstandig Uberarbeitete Auflage , verbesserte Auflage , verbesserte Auflage , Uberarbeitete Auflage 1991 Der Verlag Vicwcg ist ein Unternehmcn der Verlagsgruppc Bertclsmann International. Aile Rechtc vorbehaiten FriedT. Vicweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1991 Softcover reprint of the hardcover lith edition 1991 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fallen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Satz: Vieweg, Braunschweig Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen ISBN-13:

4 Vorwort v Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch vermittelt die Grundlagen der Elektrotechnik, wie sie ftir die Anwendungsfacher Elektronik, MeBtechnik, elektrische Maschinen, elektrische Anlagen und Steuer- und Regelungstechnik benotigt werden. Die Darbietung des Lehrstoffs ist abgestimmt auf den Unterricht an Technikerschulen. Das erfordert eine eigenstandige Darstellung der Elektrotechnik; die weder eine Berufsschul- noch eine Hochschul-Elektrotechnik sein kann. Kennzeichen dieser Elektrotechnik ist das Verstandnis ftir elektrische Zusammenhange und Methoden ihrer Anwendung. Die Resonanz auf die bisherigen Auflagen bestatigt die Annahme, dab ein Lehr- und Arbeitsbuch ftir ein mittie res Niveau der Elektrotechnik sich auch fur den Unterricht an Beruflichen Gymnasien, Fachoberschulen und Berufskollegs sowie fur die Grundlagenvorlesungen an Fachhochschulen eignet. Besonderer Wert wird auf die Eigentatigkeit der Lernenden gelegt: 40 % des Buchumfangs entfallen auf Beispiele und Obungsaufgaben und deren ausftihrliche Losungen, so dab auch ein kontrolliertes Selbststudium moglich ist. Die Obungsaufgaben 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 ftir Leser gedacht sind, die nach lahren der Berufspraxis wieder vor dem Problem Lemen stehen. Ein den Kapiteln zugeordneter Wissensspeicher kann bei der Vorbereitung auf Prtifungen und flir die stets erforderlichen Wiederholungen gute Dienste leisten, da er das Kernwissen in strukturierter Form aufwenigen farbigen Seiten bereithalt. Gern statte ich zum SchluB dem Verlag Vieweg ftir das Eingehen auf meine Wtinsche und den Kollegen aus dem Leserkreis fur ihre Anregungen zur Verbesserung des Buches meinen herzlichen Dank abo Ellerstadt, Marz 1991 Dieter Zastrow

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

6 Inhaltsverzeichnis VII 5 Grundstromkreise Grundgesetze der Stromkreise Reihenschaltung von Widerstanden Parallelschal tung von Widerstanden : Spannungsquelle mit Innenwiderstand Stromquelle mit Innenwiderstand Vertiefung und Dbung Energieumsetzung im Schaltwiderstand Elektrische Arbeit loulesches Gesetz Elektrische Leistung Strom- und Spannungsabhangigkeit der Leistung Nennleistung Energieumwandlung und Wirkungsgrad Energieiibertragung und Wirkungsgrad Leistungsanpassung Vertiefung und Dbung Verzweigte Stromkreise Losungsmethodik fur verzweigte Stromkreise mit bekannten Widerstandswerten Losungsmethodik fur verzweigte Stromkreise mit gesuchten Widerstandswerten Losungsmethodik ftir Schaltungen mit einem nichtlinearen Widerstand Wheatstonesche Bruckenschaltung Vertiefung und Dbung Netzwerke Netzwerk Kreisstromverfahren Dberlagerungsmethode Vertiefung und Dbung Ersatzquellen Ersatzschaltungen Ersatzspannungsquelle Ersatzstromquelle Vergleich der Ersatzquellen Ersatzschaltungen zur Nachbildung nichtlinearer /-U-Kennlinien Vertiefung und Dbung

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 Kapazitat Kapazitiitsberechnung Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren Kapazitive Kopplung von Stromkreisen Energie des elektrostatischen Feldes Krafte im elektrostatischen Feld Vertiefung und Dbung Ladungsvorgange bei Kondensatoren Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom Aufladung des Kondensators bei konstanter Spannung Entladungsvorgang des Kondensators Vertiefung und Dbung... " Magnetisches Feld Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters Induktivitat Induktivitatsberechnung Magnetische Eigenschaften des Eisens Magnetischer Kreis Energieumsatz in der Spule Hystereseverluste Kraftwirkungen Vertiefung und Dbung Induktion Induktion in der Leiterschleife Induktionsgesetz Induktionsspule Generatorprinzip Se1bstinduktion Vertiefung und Dbung Schaltvorgange bei Spulen Einschaltvorgang Abschaltvorgang

8 Inhal tsverzeichnis IX 15.3 Begriffsdefinitionen und Dbersicht flir die Gleichstromschaltvorgiinge Vertiefung und Dbung... " Sinusformige Anderungen elektrischer GroEen Darstellung sinusformiger GroBen Frequenz, Kreisfrequenz Zeichnerische Darstellung u = f(t) und f(wt).... " Vertiefung und Dbung Mittelwerte periodischer GroEen Arithmetischer Mittelwert: Gleichanteil der GroBe Gleichrichtwert Quadratischer Mitte1wert: Effektivwert der GroBe Scheitelfaktor (Crestfaktor), Formfaktor Vertiefung und Dbung Addition frequenzgleicher WechselgroEen Nullphasenwinkel, Phasenverschiebungswinkel Addition von Wechselspannungen Subtraktion von Wechselspannungen Vertiefung und Dbung Idealer Schaltwiderstand im Wechselstromkreis., Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohmsches Gesetz, Wirkwiderstand Vertiefung und Dbung Idealer Kondensator im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohmsches Gesetz, kapazitiver Blindwiderstand Vertiefung und Dbung Ideale Spule im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohmsches Gesetz, induktiver Blindwiderstand Vertiefung und Dbung Grundschaltungen im Wechselstromkreis Parallelschaltung eines idealen Schaltwiderstandes und eines idealen Kondensators Phaseniage zwischen Strom und Spannung

9 x Inhaltsverzeichnis Ohmsches Gesetz, Scheinleitwert Ersatzschaltung des Kondensators Energieumsetzung Leistung Reihenschaltung eines idealen Schaltwiderstandes mit einer idealen Spule Phasenlage zwischen Strom und Spannung Ohmsches Gesetz, Scheinwiderstand Ersatzschaltung der Spule ohne Eisen Energieumsetzung, Leistung... " Vertiefung und Ubung Einftihrung der komplexen Rechnung Komplexe Darstellung von sinusformigen Grofben Definition der Widerstands- und Leitwert-Operatoren Standard-Problemstellungen fur komplexe Rechnung Xquivalente Schaltungen Komplexer Widerstand von Netzwerken Komplexer Spannungsteiler Komplexer Stromteiler Besondere Phasenbedingung Schaltungsanalyse mit Hilfe von Zeigerdiagrammen Zeigerdiagrammtechnik Zeigerdiagramm einer Phasenschieberschaltung Zeigerdiagramm zur Blindstromkompensation Zeigerdiagramm der eisengeflillten Spule Ortskurven Vertiefung und Ubung Frequenzgang von RC-Gliedern Frequenzgang Tiefpafb Hochpafb Vertiefung und Ubung 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 Kreisgtite Vertiefung und Ubung

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

11 XII Arbeitshinweise zu diesem Buch Wie lernt man einen neuen Lehrstoff? Aktivitlit Lemen, urn etwas verstehen und begreifen zu k6nnen, erfordert eine Aktivitiit der Person. Aktivitlit ist notwendig, urn die Schwierigkeiten, die sogenannten Lemwiderstiinde, zu liberwinden. Lemtechnik Der Unterricht ist die erste Hilfestellung beim Lemen. - Erfahrungsgemli~ kann aber der Lehrstoff bei diesem Lehrproze~ nicht so aufgenommen werden, d~ sich eine Nacharbeit erlibrigt. Dabei hilft Ihnen das Lehrbuch. Einige Regeln haben sich fur das Arbeiten mit dem Buch bewlihrt: - 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. - Sptiren Sie scheinbare Unstimmigkeiten zwischen Erkllirungen 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 Si.e das Wesentliche mit noch weniger Worten darzustellen. Skizzen und Stichworte genligen oftmals, wenn man einen Stoff verstanden hat. - Bearbeiten Sie m6glichst viele Beispiele und Ubungsaufgaben selbstlindig in schriftlicher Form. - Suchen Sie zu bereits gel6sten Aufgaben noch einen 2. L6sungsweg. Sie machen Ihr Wissen dadurch anwendungsbereiter. Am ungllicklichsten Ie men 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 Wie hilft Ihnen dieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen? XIII Mathematische Kenntnisse Lehrstoff Dieses Lehr- und Arbeitsbuch der Elektrotechnik verzichtet nicht auf die erforderlichen mathematischen Beschreibungsmittel zur korrekten Angabe von Definitionen und Lehrslitzen 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 Vbedegungen gelost; eine rechnerische Behandlung bleibt ausgeklammert. Die Rechenregeln zur komplexen Rechnung werden an elektrotechnischen Beispielen ausflihrlich erlautert. Der Lehrstoff wird anschaulich dargestellt, so da~ sich ein Verstiindnis fur elektrische Zusammenhiinge bilden kann. Erst am Ende von Erkenntnisprozessen werden mathematische Schreibweisen und -verfahren eingeflihrt. Beispiele Da bekannt ist, d~ 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. Aufgabentyp Losungen Memory Ob Sie einen echten Lernfortschritt gemacht haben, konnen Sie bei der selbstandigen Losung der vorhandenen Ubungsaufgaben feststellen. Dabei bedeuten die Zeichen:... Vbungen, deren Besonderheit eine Losungsleitlinie ist. A Vbungen, die den typischen Priifungsaufgaben entsprechen. Vbungen, die das Verstandnis fur Begriffe, Zusammenhange und Modellvorstellungen fordern. Zum Zwecke der Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgaben ein vollstiindiger L6sungsweg im Anhang des Buches. Auf den gelben Seiten finden Sie ein Memory. Es enthlilt das von Thnen geforderte Grundwissen, geordnet nach den Kapiteln des Lehrbuches. Das Memory kann funen bei der Vorbereitung auf Priifungen und bei den stets erforderlichen Wiederholungen gute Dienste leisten, da es das Kernwissen in strukturierter Form aufwenigen Seiten bereithlilt.