Elektrotechnik. 16., verbesserte und aktualisierte Auflage

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1 Dieter Zastrow Elektrotechnik Ein Grundlagenlehrbuch 16., verbesserte und aktualisierte Auflage Mit 526 Abbildungen, 142 Beispielen und 225 Übungsaufgaben mit Lösungen sowie 27 Übersichten als Wissensspeicher Viewegs Fachbücher der Technik Vieweg

2 VI Inhaltsverzeichnis Arbeitshinweise zu diesem Buch XII 1 Elektrische Ladung I 1.1 Beobachtungen und Grundannahmen Atomistische Deutung Ladungstrennung und elektrisches Feld Ladungsträger Übungsaufgaben 6 2 Elektrische Spannung Energietransportaufgabe des Stromkreises Spannung als Kennwert eines Arbeitsvermögens Spannung als Potenzialdifferenz Potenzialgefälle und Feldstärke Potenzial- und Spannungsmessung Spannungszählpfeile Übungsaufgaben 16 3 Elektrische Strömung Stromrichtung und Stromstärke Zeitlich konstante Strömung Zeitlich veränderliche Strömung Transportierte Ladungsmenge Messen der Stromstärke Stromdichte Übungsaufgaben 27 4 Elektrischer Widerstand Widerstandsbegriff Lineare Widerstände Nichtlineare Widerstände Ohm'sches Gesetz und Leitungswiderstand Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Übungsaufgaben 40 5 Grundstromkreise Grundgesetze der Stromkreise Reihenschaltung von Widerständen Parallelschaltung von Widerständen Spannungsquelle mit Innenwiderstand Stromquelle mit Innenwiderstand Übungsaufgaben 55

3 Inhaltsverzeichnis VII 6 Energieumsetzung im Verbraucher Elektrische Arbeit Joule'sches Gesetz Elektrische Leistung Strom- und Spannungsabhängigkeit der Leistung Nennleistung Energieumwandlung und Wirkungsgrad Energieübertragung und Wirkungsgrad Leistungsanpassung Übungsaufgaben 71 7 Verzweigte Stromkreise Lösungsmethodik für verzweigte Stromkreise mit bekannten Widerstandswerten Lösungsmethodik für verzweigte Stromkreise mit mehreren Bedingungen Lösungsmethodik für Schaltungen mit einem nichtlinearen Widerstand Lösungsmethodik für Brückenschaltungen Lösungsmethodik Ersatzschaltung Übungsaufgaben 90 8 Netzwerke Netzwerk Kreisstromverfahren Überlagerungsmethode Übungsaufgaben 97 9 Ersatzquellen Ersatzschaltungen Ersatzspannungsquelle Ersatzstromquelle Vergleich der Ersatzquellen Ersatzschaltungen zur Nachbildung nichtlinearer I-U-Kennlinien Übungsaufgaben Eigenschaften und Bemessung des Spannungsteilers Leerlauffall Belastungsfall Linearitätsfehler des belasteten Spannungsteilers Dimensionierung des Spannungsteilers Übungsaufgaben Elektrostatisches Feld Elektrostatisches Feld des Plattenkondensators Kapazität Kapazitätsberechnung Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 128

4 VIII Inhaltsverzeichnis 11.5 Kapazitive Kopplung von Stromkreisen Energie des elektrostatischen Feldes Kräfte im elektrostatischen Feld Übungsaufgaben Ladungsvorgänge bei Kondensatoren Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom Kondensatoraufladung über Vorwiderstand an konstanter Spannung Entladung des Kondensators über einen Widerstand Übungsaufgaben Magnetisches Feld Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters Induktivität Induktivitätsberechnung Magnetische Eigenschaften des Eisens Magnetischer Kreis Magnetische Energie der Spule Hystereseverluste Kraftwirkungen Übungsaufgaben Induktion Induktion in der Leiterschleife Induktionsgesetz Induktionsspule Generatorprinzip Selbstinduktion Übungsaufgaben Schaltvorgänge bei Spulen in Gleichstromkreisen Einschaltvorgang Abschaltvorgang Übungsaufgaben Sinusförmige Änderungen elektrischer Größen Darstellung sinusförmiger Größen Frequenz, Kreisfrequenz Übungsaufgaben Mittelwerte periodischer Größen Arithmetischer Mittelwert: Gleichanteil der Größe Gleichrichtwert Quadratischer Mittelwert: Effektivwert der Größe Scheitelfaktor (Crestfaktor) 223

5 Inhaltsverzeichnis IX 17.5 Formfaktor Übungsaufgaben Addition frequenzgleicher Wechselgrößen Nullphasenwinkel, Phasenverschiebungswinkel Addition von Wechselspannungen Subtraktion von Wechselspannungen Übungsaufgaben Idealer Wirkwiderstand im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistungen und Energieumsetzung Ohm'sches Gesetz, Wirkwiderstand Übungsaufgaben Idealer Kondensator im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohm'sches Gesetz, kapazitiver Blindwiderstand Übungsaufgaben Ideale Spule im Wechselstromkreis Phasenlage zwischen Strom und Spannung Leistung und Energieumsetzung Ohm'sches Gesetz, induktiver Blindwiderstand Übungsaufgaben Grundschaltung im Wechselstromkreis Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator Phasenlage zwischen Strom und Spannung Ohm'sches Gesetz, Scheinleitwert Ersatzschaltung des verlustbehafteten Kondensators Energieumsetzung Leistung Reihenschaltung von Widerstand und Spule Phasenlage zwischen Strom und Spannung Ohm'sches Gesetz, Scheinwiderstand Ersatzschaltung der verlustbehafteten Spule ohne Eisen Energieumsetzung, Leistung Übungsaufgaben Einführung der komplexen Rechnung Komplexe Darstellung von sinusförmigen Größen Äquivalente Schaltung Komplexer Widerstand von Netzwerken 277

6 X Inhaltsverzeichnis Komplexer Spannungsteiler Komplexer Stromteiler Besondere Phasenbedingung Schaltungsanalyse mit Hilfe von Zeigerdiagrammen Zeigerdiagrammtechnik Zeigerdiagramm einer Phasenschieberschaltung Zeigerdiagramm zur Blindstromkompensation Zeigerdiagramm der eisengefüllten Spule Ortskurven Übungsaufgaben Frequenzgang von RC-Übertragungsgliedern Frequenzgang Tiefpass Hochpass Bandpass Allpass (Phasendrehbrücke) Übungsaufgaben Schwingkreis, Resonanzkreis Schwingkreis und freie Schwingung Reihen-Resonanzkreis Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand Resonanzkurven bei Spannungssteuerung des Reihenkreises Parallel-Resonanzkreis Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand Resonanzkurven bei Stromsteuerung des Parallelkreises Bandbreite und Kreisgüte Übungsaufgaben Transformatoren Gesetze des idealen Transformators Realer Transformator Strom- und Spannungsverhalten des realen Transformators Übungsaufgaben Dreiphasensystem Drehstromquelle Verkettungsmöglichkeiten Potenzialdiagramm des Vierleiter-Dreiphasensystems Spannungen und Ströme bei Sternschaltung der Verbraucher Spannungen und Ströme bei Dreieckschaltung der Verbraucher Leistung bei Drehstrom Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes Übungsaufgaben 348

7 Inhaltsverzeichnis XI Lösungen der Übungen 350 Memory 399 Sachwortverzeichnis 431