Grundlagen der Elektrotechnik

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1 Wolfgang Nerreter Grundlagen der Elektrotechnik Mit 423 Bildern, 27 Tabellen, 138 Beispielen, 91 Aufgaben und Lösungen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundbegriffe 1.1 Elektrischer Strom Ladung; Ladungsträger; Ionisation; Stromkreis: Stromstärke; Stromdichte; Richtungssinn und Bezugssinn; Strommessung 1.2 Elektrische Spannung Ladungstrennung; Richtungssinn und Bezugssinn; Spannungsmessung 1.3 Leistung und Energie Erzeuger und Verbraucher; Leistung an einem Eintor; Wirkungsgrad; Elektrowärme 1.4 Elektrischer Widerstand Der Begriff Widerstand; Das OHMsche Gesetz; Linearer Leiter; Widerstand von Isolierstoffen; Nichtlinearer Widerstand; Temperaturabhängigkeit; Supraleitung 1.5 Quellen Leerlaufund Kurzschluss; Ideale Quellen; Lineare Quellen 2 Netze an Gleichspannung 2.1 Verbindung von Eintoren Bestimmung des Arbeitspunktes; Leistungsanpassung 2.2 Knotensatz Der Begriff Knoten; Knotengleichung; Parallelschaltung von Widerständen 2.3 Maschensatz Maschengleichung; Potenzial; Reihenschaltung von Widerständen 2.4 Ersatzschaltungen Ersatzwiderstand; Ersatzquelle 2.5 Überlagerungssatz 2.6 Zweitore Strombedingung; Zweitorgleichungen; Berechnung der Zweitorparameter; Umwandlung der Zweitorparameter; Zweitorschaltungen; Gesteuerte Quellen; Zweitor-Ersatzschaltung; Symmetrie von Zweitoren 2.7 Schaltungsberechnung Netzwerkanalyse; Knotenpotenzialverfahren; Netzwerkanalyse mit PSpice; Start mit Schematics; Gleichanalyse; Variation von Bauelementwerten 3 Zeitkonstante Felder 3.1 Elektrisches Strömungsfeld Homogenes Feld; Inhomogenes Feld 3.2 Elektrostatisches Feld Homogenes Feld; Influenz; Inhomogenes Feld; Punktladungen; Permittivität; Elektret; Kapazitive Eintore; Kondensatorschaltungen; Kapazität von Leiteranordnungen

3 haltsverzeichnis 7 3 Magnetisches Feld Feldlinien von Magneten; Magnetische Flussdichte; Durchflutungsgesetz; Das Gesetz von BIOT-SAVART; Materie im Magnetfeld; Magnetische Werkstoffe; Magnetische Kreise; Magnetischer Kreis mit Dauermagnet; Kraft auf eine bewegte Ladung 4 Energietransport 105 Zeitabhängige Größen Periodische Größen Periodendauer und Frequenz; Gleichwert und Gleichrichtwert; Wirkleistung und Effektivwert; Verhältniszahlen 2 Sinusgrößen Kreisfrequenz und Phasenwinkel; Kenngrößen; Zeigerdarstellung; Komplexe Symbole Zeitabhängige Felder Vorgänge im elektrischen Feld Der Begriff Grundeintor; Kondensator an Sinusspannung; Energie eines geladenen Kondensators; Elektrische Energiedichte; Kräfte auf Kondensatorplatten; Polarisationsverluste; Piezoelektrischer Effekt 2 Vorgänge im magnetischen Feld Induktionsgesetz; Induktion bei Drehbewegung; Ruheinduktion; Selbstinduktion; Induktivität von Leiteranordnungen; Gegenseitige Induktion; Energie im Magnetfeld; Verluste im Magnetfeld; Kraft auf Magnetpole 3 Elektromagnetisches Feld MAXWELLsche Gleichungen; Induzierte Feldstärke Netze an Sinusspannung Grundeintore an Sinusspannung Komplexer Widerstand; Grundeintor R; Grundeintor L\ Grundeintor C 2 Verbindung von Grundeintoren Reihenschaltung von R und L; Parallelschaltung von R und C; Reihenresonanz; Parallelresonanz 3 Lineare Netze Ersatzeintor; Ersatzschaltung; Berechnungsverfahren; Resonanz 4 Netze mit Quellen Belastung idealer Sinusquellen; Ersatzquellen; Kompensation 5 Netze mit linearen Zweitoren Nachrichten-Übertragungssystem; Ersatz-Widerstände; Anpassung; Frequenzgang 6 Ortskurven Verbindungen von Grundeintoren; Inversion; Normierung 7 Sinusanalyse 187

4 8 Inhaltsverzeicl 7 Drehstrom ] 7.1 Ströme und Spannungen ] Symmetrische Größen; Drehstromerzeuger; Spannungssysteme 7.2 Symmetrische Belastung ' Sternschaltung; Dreieckschaltung; Zeitabhängigkeit der Leistung; Drehfeld; Kompensation 7.3 Unsymmetrische Belastung Sternschaltung am Vierleiternetz; Dreieckschaltung; Sternschaltung am Dreileiternetz 7.4 Symmetrische Komponenten '. IAA Geschlossenes Zeigerdreieck; Beliebige Lage der Zeiger 8 Schaltvorgänge : 8.1 Lineare Netze ' Übergangsvorgang; Schalterarten; Netz mit einem Grundeintor C; Netz mit einer Spule; Netz mit einem Schwingkreis 8.2 Transientanalyse ; BDF-Verfahren; Durchführung der Analyse 9 Nichtsinusförmige Größen 9.1 Synthese periodischer Größen Zeitabhängige Größen; FOURIER-Reihe 9.2 Harmonische Analyse Berechnung der FOURIER-Koeffizienten; Analyse mit PSpice 9.3 Eigenschaften periodischer Größen Wirkleistung; Effektivwert; Leistungsgrößen; Verzerrungsleistung; Klirrfaktor 9.4 Nichtperiodische Größen Komplexe FOURIER-Reihe; FOURIER-Transformation; Eigenschaften der FOURIER-Transformation 10 Leitungen 10.1 Wellenausbreitung auf Leitungen Leitungsarten; Leitungsparameter; Leitungsgleichungen; Verlustlose Leitung; Reflexion; Reflexionsfaktor; Verlustbehaftete Leitung 10.2 Leitung an Sinusspannung Wellengleichung; Phasengeschwindigkeit; Ströme und Spannungen; Leitung als Zweitor; Natürliche Leistung; Verlustlose Leitung 11 Bauelemente 11.1 Erwärmung und Kühlung Leistungsbilanz; Thermische Ersatzschaltung; Maximal zulässige Verlustleistung; Thermische Stabilität

5 ihaltsverzeichnis Widerstände Konstante Widerstände; Einstellbare Widerstände; Temperaturabhängige Widerstände; Spannungsabhängige Widerstände 1.3 Kondensatoren Wickelkondensator; Verlustfaktor; Kondensatoren mit konstanter Kapazität; Spannungsabhängige Kapazität 1.4 Spulen Dioden Eigenschaften einer Halbleiterdiode; Das Halbleiter-Grundmaterial Silizium; Dotierung; pn-übergang; pn-diode; Solarzelle; Z-Diode; SCHOTTKY-Diode 1.6 Transistoren Feldeffekttransistor; Bipolartransistor 2 Analoge Schaltungen 289 IA Stabilisierungsschaltungen Spannungsstabilisierung; Stromstabilisierung 2.2 Rückkopplung Mit- und Gegenkopplung; Rückkopplungsschaltungen; MILLER- und Bootstrap-Effekt; Über-alles-Gegenkopplung 2.3 Stabilität Stabilisierung und Stabilität; Übertragungsfunktion; Grundlegendes Stabilitätskriterium; NYQUIST-Kriterium; Stabilität von Verstärkern 2.4 Transistorverstärker Schaltungsarten; Einstellung der Arbeitspunkte; Thermische Stabilität; Emitter- bzw. Sourceschaltung; Kollektor- bzw. Drainschaltung; Basis- bzw. Gateschaltung 2.5 Operationsverstärker Operationsverstärker-Schaltungen Invertierender Verstärker; Nicht invertierender Verstärker; Addierer; Subtrahierer; Integrierer; Betragsbildung; Aktive Filter 3 Elektrochemie Elektrischer Strom in Flüssigkeiten Chemische Wirkung des Stromes; Dissoziation; Elektrolyse 3.2 FARADAYsche Gesetze Elektrochemische Spannungsreihe Reduktion und Oxidation; DANIELL-Element; Standard-Wasserstoffelektrode 3.4 Batterien Akkumulatoren Bleiakkumulator; Nickel-Cadmium-Akkumulator; Nickel-Metallhydrid-Akkumulator; Lithium-Ionen-Akkumulator 3.6 Brennstoffzellen Elektrolytische Korrosion 341

6 10 Inhaltsverzei< 14 Ströme in Nichtleitern 14.1 Stromleitung im Vakuum 14.2 Stromleitung in Gasen Ladungsträger in Gasen; Elektrische Erscheinungen in Luft; Dunkelentladung; Stoßionisation; Durchschlag im homogenen Feld; Sichtbare Gasentladungen; Anwendungen des Lichtbogens Lösungen der Aufgaben Anhang Al: Winkelfunktionen A2: SI-Einheiten A3: Rechenoperationen mit Matrizen A4: Komplexe Rechnung A5: Wichtige Konstanten Ml: Berechnungen mit MATLAB M2: MATLAB-Einführung M2.1 Reelle Zahlen; M2.2 Ein- und Ausgabe; M2.3 Komplexe Zahlen; M2.4 Matrizen; M2.5 Kontrollstrukturen; M2.6 Symbolische Rechnung; M2.7 Programmierung M3: Konforme Abbildung Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis