Meister Elektrotechnische Grundlagen
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- Bernt Neumann
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2 Meister Elektrotechnische Grundlagen
3 Elektronik 1 Heinz Meister Elektrotechnische Grundlagen Mit Versuchsanleitungen, Rechenbeispielen und Lernziel-Tests 15. Auflage Vogel Buchverlag
4 Zur Fachbuchgruppe «Elektronik» gehören die Bände: Klaus Beuth/Olaf Beuth: Elementare Elektronik Heinz Meister: Elektrotechnische Grundlagen (Elektronik 1) Klaus Beuth: Bauelemente (Elektronik 2) Klaus Beuth/Wolfgang Schmusch: Grundschaltungen (Elektronik 3) Klaus Beuth: Digitaltechnik (Elektronik 4) Helmut Müller/Lothar Walz: Mikroprozessortechnik (Elektronik 5) Wolfgang Schmusch: Elektronische Meßtechnik (Elektronik 6) Klaus Beuth/Richard Hanebuth/Günter Kurz/Christian Lüders: Nachrichtentechnik (Elektronik 7) Wolf-Dieter Schmidt: Sensorschaltungstechnik (Elektronik 8) Olaf Beuth/Klaus Beuth: Leistungselektronik (Elektronik 9) Weitere Informationen ISBN Auflage Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Hiervon sind die in 53, 54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefälle nicht berührt. Printed in Germany Copyright 1974 by Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Würzburg
5 Vorwort Dieses Lern- und Arbeitsbuch vermittelt grundlegende Kenntnisse, die zum Einarbeiten in die allgemeine Elektrotechnik, die Photovoltaik, die Elektronik oder deren spezielle Bereiche erforderlich sind. Die oft abstrakten und komplexen elektrotechnischen Zusammenhänge werden anschaulich und leicht faßlich dargestellt. Viele Abbildungen, Skizzen, Schaltpläne, Versuchsbeschreibungen sowie eine ausführliche erklärende und herleitende Darstellung erleichtern das Verständnis und verdeutlichen die elektrotechnischen Vorgänge und Zusammenhänge. Auf allzuviel Mathematik wird bewußt verzichtet, aber auf das Klären des «Warum» bestimmter Fakten und Vorgänge großer Wert gelegt. Zur Übung, Festigung, Sicherung und Kontrolle des Gelernten dienen durchgerechnete Beispiele und Merksätze in den einzelnen Abschnitten sowie Lernziel-Tests mit Verständnisfragen und Rechen- und Zeichenaufgaben am Ende eines jeden Kapitels. Die Lösungen der Lernziel-Testaufgaben befinden sich auf den letzten Buchseiten. Merksätze und bestimmte Formeln sind aus Gründen eines schnelleren Überblicks und des besseren Einprägens farbig hinterlegt. Das Buch ist methodisch-didaktisch so gestaltet, daß es sowohl unterrichtsbegleitend in Schulen und in der beruflichen Weiterbildung wie auch zum Selbststudium erfolgreich eingesetzt werden kann. Es gibt Schülern, Studierenden, Ingenieuren, Meistern, Technikern und Facharbeitern aller Fachbereiche die Möglichkeit, die Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik auf leichtverständliche Art zu erwerben und anschließend auch in speziellen Bereichen zu erweitern. Durch den Verzicht auf technische und mathematische Vorkenntnisse sowie Erarbeitung der elektrotechnischen Inhalte in kleinen verständlichen Schritten finden mit diesem Buch auch Nichtelektriker einfachen Zugang zur Elektrotechnik. Freiburg Heinz Meister 5
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7 Inhaltsverzeichnis Vorwort Grundbegriffe der Elektrizität Atome und Elektronen Elektrische Ladung Ladungsträger Neutrale Atome Atomaufbau Ionen Elektrischer Strom Elektrische Leiter, Nichtleiter, Halbleiter Leiter Leitungsmechanismus Nichtleiter Halbleiter Lernziel-Test Stromkreis Stromrichtung Richtung des Elektronenstromes Technische Stromrichtung Stromstärke Elektrizitätsmenge Stromdichte in Leitern Stromarten Wirkungen des elektrischen Stromes Lernziel-Test Elektrische Spannung Potential Spannungsrichtung Lernziel-Test Elektrischerwiderstand Spezifischer Widerstand Elektrischer Widerstand von Leitungen Leitwert und Leitfähigkeit Lernziel-Test Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Lernziel-Test Stromkreisgesetze Ohmsches Gesetz Strom-Spannungs-Kennlinien (Widerstandskennlinien) Lernziel-Test Reihenschaltung von Widerständen
8 2.2.1 Unbelasteter Spannungsteiler Vorwiderstand Spannungsfall an Leitungen Lernziel-Test Leitungsarten Leitungsbezeichnungen Kennfarben von Adern bei isolierten Leitungen Lernziel-Test Überstrom-Schutzeinrichtungen Leitungsschutzsicherungen (Schmelzsicherungen) Geräteschutzsicherungen (Feinsicherungen) Leitungsschutzschalter Lernziel-Test Strombelastbarkeit und Überstrom-Schutzeinrichtungen von Leitungen Lernziel-Test Parallelschaltung von Widerständen Lernziel-Test Kirchhoffsche Regeln Erste Kirchhoffsche Regel (Knotenregel) Zweite Kirchhoffsche Regel (Maschenregel) Lernziel-Test Gemischte Schaltungen Erweiterte Reihenschaltung Erweiterte Parallelschaltung Belasteter Spannungsteiler Widerstandsbrücke Lernziel-Test Arbeit und Leistung Elektrische Arbeit Energie Zusammenhang zwischen Arbeit und Energie Elektrische Leistung Energieumwandlung Einheiten für Energie und Arbeit Umrechnungen Umwandlungen von elektrischer Energie in Wärme Wirkungsgrad Lernziel-Test Spannungserzeuger Arten und Prinzip der Spannungserzeugung Spannungserzeugung durch chemische Vorgänge Spannungserzeugung durch Wärme Spannungserzeugung durch Licht Spannungserzeugung durch Verformung von Kristallen
9 4.1.5 Spannungserzeugung durch Induktion Spannungserzeugung durch Reibung Verhalten von Spannungserzeugern Quellenspannung und Klemmenspannung Leerlauf Belastung Kurzschluß Leistungsanpassung Spannungsanpassung (Konstant-Spannungsquellen) Stromanpassung (Konstant-Stromquellen) Schaltung von Spannungserzeugern Reihenschaltung Parallelschaltung Parallelschaltung ungleicher Spannungsquellen Lernziel-Test Chemische Wirkung des Stromes Elektrolyse Technische Anwendung der Elektrolyse Galvanische Elemente Primärelemente Zink-Kohle-Elemente Alkali-Braunstein-Zink-Elemente (Alkali-Mangan- Element) Quecksilberoxid-Knopfzellen Weitere Primärelemente Sekundärelemente Bleiakkumulator Aufbau des Bleiakkumulators Kapazität des Akkumulators Betrieb des Bleiakkumulators Stahlakkumulator Ladung von Akkumulatoren Vergleich von Stahlakkumulatoren mit Bleiakkumulatoren Elektrochemische Korrosion Elektrochemische Korrosion durch Elementbildung Streustromkorrosion Lernziel-Test Magnetismus Erscheinungsformen des Magnetismus Magnete Kraftwirkung zwischen Magnetpolen Molekularmagnetismus Magnetfelder
10 6.1.5 Lernziel-Test Größen und Einheiten des Magnetismus Magnetische Durchflutung (magnetische Urspannung) Magnetische Feldstärke Magnetischer Fluß Magnetische Flußdichte Lernziel-Test Magnetisches Verhalten von Werkstoffen Magnetischer Widerstand Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit) Beziehung zwischen magnetischer Flußdichte und Feldstärke Magnetisierungskennlinien Ummagnetisierungskennlinie (Hysteresekurve) Magnetwerkstoffe Lernziel-Test Kraftwirkungen im Magnetfeld Kraftwirkung zwischen zwei Magneten Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kraftwirkung zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern Lernziel-Test Induktionsvorgänge Induktion der Bewegung (Generatorprinzip) Induktion der Ruhe (Transformatorprinzip) Wirbelströme Wirbelströme infolge Induktion der Bewegung Wirbelströme infolge Induktion der Ruhe Selbstinduktion Induktivität Lernziel-Test Elektrisches Feld mit Kondensator Elektrisches Feld Elektrische Feldlinien Elektrische Feldstärke Influenz Abschirmung elektrischer Felder Dielektrische Polarisation Lernziel-Test Kondensator Laden und Entladen des Kondensators Kapazität und Ladungsmenge Kondensatorarten Kondensatoren mit fester Kapazität Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität
11 Beschriftung von Kondensatoren Schaltung von Kondensatoren Parallelschaltung von Kondensatoren Reihenschaltung von Kondensatoren Lernziel-Test Wechselstrom Grundbegriffe des Wechselstromes Arten von Wechselgrößen Erzeugen einer sinusförmigen Wechselspannung Kennwerte der Sinusspannung Amplitude, Augenblickswert Periode, Frequenz, Phase Kreisfrequenz Gleichrichtwert Effektivwert Grafische Darstellung von Wechselspannungen und Wechselströmen Phasenverschiebung Lernziel-Test Wechselstromwiderstände Ohmscher Widerstand an Wechselspannung (Wirkwiderstand) Spule an Wechselspannung (induktiver Blindwiderstand und Wirkwiderstand) Ideale Spule (rein induktiver Blindwiderstand) Scheinwiderstand Kondensator an Wechselspannung (kapazitiver Blindwiderstand) Frequenzabhängigkeit der Wechselstromwiderstände Wirkwiderstand Induktiver Blindwiderstand Kapazitiver Blindwiderstand Lernziel-Test Schaltung von Wechselstromwiderständen Reihenschaltung von Wirkwiderstand und induktivem Blindwiderstand (Spule) Zeigerbild Spannungsdreieck Widerstandsdreieck Reihenschaltung von Wirkwiderstand und kapazitivem Blindwiderstand Zeigerbild Spannungsdreieck Widerstandsdreieck
12 8.3.3 Reihenschaltung von Wirk-, induktivem und kapazitivem Blindwiderstand Zeigerbild, Spannungsdreieck Widerstandsdreieck Parallelschaltung von Wirkwiderstand und kapazitivem Blindwiderstand Zeigerbild Stromdreieck Leitwertdreieck Parallelschaltung von Wirk-, induktivem und kapazitivem Blindwiderstand Zeigerbild, Stromdreieck Leitwertdreieck Lernziel-Test Resonanz im Wechselstromkreis Spannungsresonanz (Reihenresonanz) Resonanzfrequenz (Thomsonsche Schwingungsformel) Stromresonanz (Parallelresonanz) Lernziel-Test Leistung und Arbeit bei Wechselstrom Leistung bei Wirklast Leistung bei induktiver Belastung Leistung bei kapazitiver Belastung Leistung bei Belastung durch Wirkwiderstand und induktiven Blindwiderstand Leistungsdreieck Leistungsgleichungen Leistungsfaktor Arbeit bei Wechselstrom Lernziel-Test Dreiphasenwechselstrom Drehstrom Erzeugung und Darstellung Verkettungsschaltungen Sternschaltung Dreieckschaltung Leistung bei Drehstrom Drehfeld Vorteile von Drehstrom gegenüber Wechselstrom Lernziel-Test Transformatoren Aufbau und Wirkungsweise Bauformen Verhalten bei Leerlauf und bei Belastung Spannungsübersetzung
13 10.5 Stromübersetzung Übersetzungsverhältnis, Nennübersetzung Widerstandsübersetzung Leistung, Verluste und Wirkungsgrad Lernziel-Test Arten und Verwendung von Transformatoren Spartransformatoren Kleintransformatoren Sicherheits- oder Schutztransformatoren Spielzeugtransformatoren Klingeltransformatoren Trenntransformatoren Handleuchtentransformatoren Netzanschlußtransformatoren Meßwandler Spannungswandler Stromwandler Lernziel-Test Elektrische Meßtechnik Meßtechnische Grundbegriffe Analoge und digitale Meßgeräte Vor- und Nachteile von Analog- und Digitalanzeigen Analoge Meßgeräte Meßfehler, Genauigkeitsklassen Empfindlichkeit, Eigenverbrauch, innerer Widerstand Kennzeichnung von Meßgeräten Lernziel-Test Meßwerke von analogen Meßgeräten Dreheisenmeßwerk Drehspulmeßwerk Elektrodynamisches Meßwerk Elektronenstrahl-Oszilloskop Lernziel-Test Messen mit analogen Meßgeräten Strommessung Spannungsmessung Meßbereichserweiterung Meßbereichserweiterung von Spannungsmessern Meßbereichserweiterung von Strommessern Lernziel-Test Widerstandsmessung Indirekte Widerstandsmessung mit Strom- und Spannungsmeßgerät Direkte Widerstandsmessung mit Widerstandsmesser
14 Widerstandsmeßbrücke Leistungsmessung Leistungsmessung durch Strom- und Spannungsmessung Leistungsmessung mit Leistungsmesser Messung mit Vielfachmeßgeräten (Universal-Meßinstrumente) Lernziel-Test Digitale Meßgeräte Aufbau und Wirkungsweise von Digitalmeßgeräten Meßfehler, Genauigkeit Messen mit digitalen Meßgeräten Gleichspannungsmessung Gleichstrommessung Wechselspannungs- und Wechselstrommessung Widerstandsmessung Vielfachmeßgeräte (digitale Multimeter) Leistungsmessung Handhabung von digitalen Multimetern Lernziel-Test Messen und darstellen mit dem Oszilloskop Bedienungselemente des Oszilloskops Grundeinstellung des Oszilloskops Spannungsdarstellung und -messung Stromdarstellung und -messung Frequenzmessung Darstellung von zwei Größen Lernziel-Test Installationsschaltungen (Lichtstromkreise) Schaltzeichen und Kennbuchstaben Schaltpläne für Installationsschaltungen Ausschaltung Stromlaufplan in zusammenhängender Darstellung Stromlaufplan in aufgelöster Darstellung Installationsplan Übersichtsschaltplan Ausschaltung mit Steckdose Serienschaltung Wechselschaltung Lernziel-Test Elektrische Unfälle und deren Verhütung Ursachen elektrischer Unfälle Unfallgefahren des elektrischen Stromes Maßnahmen bei Stromunfällen
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Inhaltsverzeichnis XIII
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