Elektrotechnik und Elektronik für Informatiker

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1 Elektrotechnik und Elektronik für Informatiker Band 1 Grundgebiete der Elektrotechnik Von Prof. Dr.-Ing. Reinhold Paul Technische Universität Hamburg-Harburg 2., durchgesehene Auflage Mit 282 Bildern und 54 Tafeln Technische Universität Darmstadt FACHBEREICH INFORMATIK BIBLIOTHE K )too - oo AÄ^> Inventar-Nr.: Sachgebiete: Standort: A B.G.Teubner Stuttgart Leipzig 1999

2 Inhalt 1 Grundbegriffe Physikalische Größen und Maßeinheiten Elektrische Ladung Elektrisches Feld, elektrische Feldstärke, elektrische Spannung Elektrische Feldstärke Elektrische Spannung Maschensatz Elektrischer Strom. Stromdichte Elektrische Stromstärke Stromdichte Knotensatz Energie, Arbeit und Leistung im Stromkreis Energie, Arbeit, Leistung Energie und Leistung am Zweipol 58 1:5.3 Wirkungsgrad 60 Lernorientierungen,' Wiederholungsfragen 61 2 Einfache Stromkreise und ihre Bauelemente. Netzwerkelemente Die Grundelemente elektrischer Stromkreise Unabhängige Quellen Widerstand. Resistiver Zweipol Linearer Widerstand. Ohmsches Gesetz Einfache Zusammenschaltungen von linearen Widerständen Nichtlineare resistive Zweipole Temperatureinfluß auf Widerstandszweipole Kondensator. Kapazitiver Zweipol Grundprinzip des Kondensators Der lineare kapazitive Zweipol als Netzwerkelement Zusammenschaltungen von linearen Kapazitäten 103

3 8 Inhalt Kondensator als Bauelement Nichtlineare kapazitive Zweipole Spule. Induktiver Zweipol Grundprinzip der Spule Der lineare induktive Zweipol als Netzwerkelement Zusammenschaltung von linearen Induktivitäten Spule als Bauelement Nichtlineare induktive Zweipole Gegeninduktion. Magnetisch verkoppelte Spulen Mehrpolelemente Gesteuerte Quellen Passive Mehrpole 142 Lernorientierungen, Wiederholungsfragen Analyse elektrischer Netzwerke Zusammenspiel aktiver-passiver Zweipol. Grundstromkreis Reale unabhängige Quelle. Ersatzschaltungen des aktiven Zweipols Der Grundstromkreis Nichtlineare Zweipole im Grundstromkreis Graphische Behandlung des nichtlinearen Grundstromkreises Analytische und numerische Lösungsverfahren Grundstromkreis im Kleinsignalbetrieb , Zweipoltheorie Überlagerungssatz Allgemeine Netzwerkanalyse Zweigstromanalyse Maschenstromanalyse Knotenspannungsanalyse 193 Lernorientierungen, Wiederholungsfragen Netzwerke bei sinusförmiger und zeitveränderlicher Erregung. Wechselstromschaltungen Harmonische Zeitfunktionen Sinusförmige Zeitfunktion Mittelwerte periodischer Größen 212

4 Inhalt Addition (Subtraktion) zweier Sinusspannungen gleicher Frequenz Verhalten der Grundelemente und einfacher Zusammenschaltungen bei Sinusgrößen im Zeitbereich Grundelemente Zusammenschaltung von Grundelementen Netzwerkanalyse im Frequenzbereich. Transformation in die komplexe Ebene Eigenschaften komplexer Größen, Rechenoperationen Zeigerdarstellung von Spannung und Strom Differentiation und Integration rotierender Zeiger Komplexer Widerstand und Leitwert. Widerstands-, Leitwertoperator Widerstands-/Leitwertoperatoren der Grundelemente RLC Zusammenfassung: Netzwerkanalyse im Frequenzbereich Frequenzgang F(j u) Darstellung von Netzwerkeigenschaften. Netzwerke bei veränderlicher Frequenz Zeigerdarstellung, Zeigerbild Amplitude und Phase des Frequenzganges Scheinwiderstandsdiagramm Ortskurven Leistung und Energie im Wechselstromkreis Leistungsbegriffe Leistungsanpassung Typische Wechselstromschaltungen Lineare Vierpole Resonanzkreis Vierpole mit Filtereigenschaften Besondere Wechselstromschaltungen Übertrager, Transformator Signale und Netzwerke (Systeme) im Frequenzbereich Allgemeine Netzwerkerregungen. Signalbegriff Periodische Signale. Fourierreihe Aperiodische Signale. Fouriertransformation 354 Lernorientierungen, Wiederholungsfragen 364

5 10 Inhalt 5 Ausgleichs Vorgänge. Netzwerke bei beliebiger Erregung Ausgleichs-, Schaltvorgänge im Zeitbereich Netzwerke mit einem Energiespeicher Netzwerke mit einem Energiespeicher und beliebiger Erregerfunktion Netzwerke mit zwei Energiespeichern Ausgleichsvorgänge im Frequenzbereich. Laplace-Transformation Überblick und Definition Laplace-Transformation und Netzwerkdifferentialgleichung Laplace-Transformation des Netzwerkes Die Übertragungseigenschaften von Netzwerken und ihre Beschreibungsmöglichkeiten Beschreibung des Netzwerkes durch die Differentialgleichung Beschreibung des Übertragungsverhaltens durch Antwortfunktionen Die Übertragungsfunktion als verallgemeinertes Eingangs-/ Ausgangsverhalten im Bildbereich Eigenschaften und Darstellungen der Übertragungsfunktion. 428 Lernorientierungen, Wiederholungsfragen Das elektromagnetische Feld ' Feldbegriff Elektrisches Feld Elektrische Feldstärke'und Potential Das elektrostatische Feld. Feld im Nichtleiter Das Strömungsfeld. Feld im Leiter Magnetisches Feld. Verknüpfung zwischen elektrischem und magnetischem Feld Feldgrößen des Magnetfeldes. Durchflutungsgesetz Materie im Magnetfeld Integralgrößen des magnetischen Feldes. Magnetischer Kreis Spule, Induktivität Induktionsgesetz. Verkopplung magnetische <-* elektrische Größen Kraftwirkung und Energie des Magnetfeldes Magnetische Energie 502

6 Inhalt Elektromagnetische-Felder und Wellen Maxwellsche Gleichungen Einteilung elektromagnetischer Felder Elektromagnetische Wellen 512 Lernorientierungen, Wiederholungsfragen 517 Literaturverzeichnis 521 Anhang 522 Übungsaufgaben 524 Lösungen 534 Sachverzeichnis 548

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