Einführung in die Elektrotechnik

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1 Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Lunze Einführung in die Elektrotechnik Lehrbuch für Elektrotechnik als Hauptfach 12., überarbeitete Auflage Dr. Alfred Hüthig Verlag Heidelberg

2 Inhaltsverzeichnis 0. Vorbetrachtungen Physikalische Größen und deren Einheiten Das Rechnen mit physikalischen Gleichungen Vektoren, Produkte von Vektoren, Weg-(Linien-) und Umlaufintegrale Physikalischer Richtungssinn, Bezugssinn und Bezugspfeil (Zählpfeil), Vorzeichen physikalischer Größen Formelzeichen und Schreibweise physikalischer Größen Formelzeichen Schreibweise...: Elektrische Stromkreise bei Gleichstrom Grundbegriffe und Grundbeziehungen Elektrische Ladung Q Elektrischer Strom / Elektrische Spannung U Widerstand R Energie W Leistung P Berechnungsbeispiele zum Abschnitt Aufgaben Berechnungsmethoden elektrischer Stromkreise Vorbetrachtungen Zweigstromanalyse (Strom- und Spannungsteilerregel, Grundstromkreis) Vereinfachte Berechnungsmethoden Maschenstromarialyse Knotenspannüngsanalyse Überlagerungssatz Zweipolersatzschaltungen Zweipoltheorie Berechnung von Stromkreisen mit nichtlinearen Elementen Überblick Grafische Lösung Numerische Berechnung Iterative Lösung der Gleichung x = f(x) Iterative Lösung der Gleichung g(x) = Aufgaben * Leistungsumsatz im Stromkreis Leistungsumsatz mit maximalem Wirkungsgrad Leistungsumsatz mit maximaler Verbraucherleistung Aufgaben, 102

3 10 Inhaltsverzeichnis 1.4. Energieumformung im Stromkreis Umformung elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt Umwandlung elektrischer Energie in Wärme und umgekehrt Einfache Grundbeziehungen für Wärmeaufnahme und -abgäbe (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) Direkte Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie Aufgaben Umformung elektrischer Energie in Lichtenergie und umgekehrt Umformung elektrischer Energie in Lichtenergie (Lichtstärke, Lichtausbeute, elektrische Lichtquellen) Umformung von Lichtenergie in elektrische Energie Aufgaben Umformung elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt Elektrolytische Leitung Elektrolyse Lösungsdruck und osmotischer Druck, Polarisation Galvanische Elemente Aufgaben Das elektrische Feld Feldbegriff, skalare und vektorielle Feldgrößen Die elektrische Feldstärke Das elektrische Potential cp Definition des Potentials und Zusammenhang mit Feldstärke und Spannung Darstellung des Potentialfeldes Berechnung der Feldstärke aus dem Potential Das stationäre elektrische Strömungsfeld 138 ' Beziehung zwischen Feldstärke- und Strömungsfeld Experimentelle Aufnahme des Potentialfeldes Feldstärke- und Strömungsfeld an Trennflächen zweier Medien Randbedingungen des elektrischen Strömungsfeldes Widerstandsberechnung räumlicher Leiter Berechnung der Leistung in (inhomogenen) Strömungsfeldern Berechnung einiger einfacher Strömungsfelder Aufgaben Das elektrostatische Feld Feldstärkefeld im Nichtleiter; elektrische Influenz Der Verschiebungsfluß W Beziehung zwischen Verschiebungsflußdichte D und Feldstärke E Beziehung zwischen Ladung und Spannung: Kapazität Berechnung von i?-c-netzwerken bei Gleichspannungen Berechnung einiger einfacher elektrostatischer Felder Aufgaben Verschiebungsstrom Definition des Verschiebungsstroms, allgemeiner Strombegriff Strom-Spannungsbeziehung des Kondensators 178»' Berechnung von i?-c-netzwerken bei zeitlich veränderlichen Spannungen Aufgaben Energie- und Kraftwirkungen im elektrischen Feld Energie im elektrostatischen Feld 183

4 Inhaltsverzeichnis Kraft auf Punktladungen Kraft auf Trennflächen im elektrostatischen Feld Aufgaben Ladungsbewegungen im Leiter und Nichtleiter Allgemeine Gleichung für den Strom bewegter Ladungen Konvektionsstrom) Feldstrom Diffusionsstrom Aufgaben Das magnetische Feld Magnetische Feldgrößen und Kenngrößen magnetischer Kreise Magnetischer Fluß 0, magnetische Flußdichte (Induktion) B Quellenfreiheit des magnetischen Flusses Umlaufintegral im magnetischen Feld- Magnetomotorische Kraft (MMK)- Durchfiutung Materialeinfluß, magnetische Feldstärke H, Durchflutungsgesetz (Induktionskonstante, die Permeabilität, Ferromagnetika, Trennflächen) Berechnung magnetischer Felder für einfache Stromanordnungen; Biot- Savartsches Gesetz Magnetische Spannung V; magnetischer Widerstand R m, magnetischer Kreis Berechnung magnetischer Kreise; Messung der magnetischen Spannung; skalares Potential Grafische Lösung nichtlinearer magnetischer Kreise Dauermagnetkreis Aufgaben Induktionsgesetz Ruheinduktion Induktionsfiuß, Potentialfeld, Wirbelfeld, Anwendungen Bewegungsinduktion Lorentzkraft, Anwendungen, unipolare Induktion, rotierende Generatoren Zusammenfassung beider Induktionsgesetze und Anwendung Zusammenfassung: Das Gleichungssystem des elektromagnetischen Feldes Aufgaben Selbst- und Gegeninduktion Definition der Selbstinduktivität (Induktivität) L Berechnung der Induktivität Beziehung zwischen Induktivität L und induzierter Spannung Induktivität L als Schaltelement (Zweipol) im Stromkreis Berechnung von Stromkreisen mit Induktivitäten Definition der Gegeninduktivität und Beziehung zwischen Gegen- und Selbstinduktivität Berechnung der Gegeninduktivität Berechnung des Induktionsfiusses bei mehreren stromdurchflossenen Kreisen Die in gekoppelten Spulen induzierten Spannungen; Gegeninduktivität als Vierpol Reihenschaltung zweier Spulen mit magnetischer Kopplung, Transformator. 276» Aufgaben Energie und Kräfte im magnetischen Feld Energie Kraftwirkungen im magnetischen Feld 288

5 12 Inhaltsverzeichnis Kraft auf Trennflächen : (Anwendungsbeispiele: Weicheiseninstrument, Relais; grafisches Verfahren) Kräfte auf bewegte Ladungen und Ströme im Magnetfeld (Zyklotron, Betatron, Hall-Effekt, Drehmoment auf Stromschleife, Maschensatz und Leistungsumsatz für bewegte Strömschleife, Motoren, Kraft auf induzierte Ströme) Aufgaben 308 Anhang 310 I Gegenüberstellung der Grundbeziehungen im elektrischen Strömungsfeld, im elektrostatischen und magnetischen Feld 310 II Gaußscher Algorithmus zur Lösung eines linearen Gleichungssystems 311 III Die verschiedenen Stromarten und die Kontinuitätsgleichung 314 IV Naturkonstanten und Materialkenngrößen 315 Literaturverzeichnis 316 Sachwörterverzeichnis 317