Einfiihrung in die theoretisch e Elektrotechnik

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1 Einfiihrung in die theoretisch e Elektrotechnik

2 Einführung in die theoretische Elektrotechnik Von Karl Küpfmüller Dr.-Ing. E. h. Professor an der Technischen Hochschule Darmstadt Achte verbesserte und erweiterte Auflage Mit 586 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1965

3 ISBN ISBN (ebook) DOI / Aile Rechte, insbesondere das del' Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdriick1iche Genehmigung des Verlages ist es nicht gestattet, dieses Buch odei' Tei1e daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) odei' auf andere Art zu vervielfaltigen Copyright 1932, 1952 and 1955 by Springer-Verlag Berlin / Giittingen / Heidelberg by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1959, 1962 and 1965 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Softcover reprint of the hardcover 8th edition 1965 Library of Congress Catalog Card Number: Die Wiedergahe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in dies em Buche berechtigt aueh ohne besondere Kennzeichnung nieht zu der Annahme, dab solche N amen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz~Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jcdermann hcnutzt werden dfirften Titel Nr. 0582

4 Vorwort zur achten Auflage Die Ingenieurwissenschaften erweitern sich fortgesetzt. Neue physikalische Erkenntnisse und neue Werkstoffe geben Anregung zu technischen Anwendungen, zur Erfindung neuer Bauelemente, Konstruktionen und Fertigungsverfahren. Die Ruckwirkung der Weiterentwicklung technischer Verfahren und Gerate auf die Forschung und die aus jeder Erkenntnis hervorgehenden neuen Fragestellungen fuhren zu einem exponentiellen WachstumsprozeB. Es ist schwierig, uber die Schnelligkeit dieses W achstums Zahlenangaben zu machen. Eine Schatzung fur die Elektrotechnik ergibt, dab das Gesamtwissen sich etwa aile Jahre verdoppelt. Das bedeutet einen jahrlichen Zuwachs von 5-7%. Da die menschliche Aufnahmefahigkeit begrenzt ist, so ergibt sich die Notwendigkeit einer fortschreitenden Spezialisierung. Viele wichtige Erfolge der Technik entstehen jedoch dadurch, dab Ergebnisse eines Spezialgebietes fur die Lasung von Aufgaben eines ganz anderen Gebietes angewendet werden konnen. Die notwendige Spezialisierung der Aufgaben darf daher nicht zu einer Spezialisierung des Verstandnisses fuhren. Daher wird heute das Grundstudium der Ingenieurwissenschaften mehr und mehr auf die gemeinsamen Grundlagen beschrankt; der Studierende mub die Fahigkeit zum Verstandnis eines moglichst groben Feldes der technischen Hilfsmittel erwerben. Dementsprechend wurde in der vorliegenden achten Auflage des Buches weiter das Ziel verfolgt, eine Einfuhrung in diejenigen theoretischen Grundlagen und Berechnungsverfahren zu geben, die maglichst vielen Anwendungen der Elektrotechnik gemeinsani sind. Durch die Auswahl des Stories und der Beispiele wurde angestrebt, das Verstandnis fur das Studium von Spezialliteratur zu erleichtern. Die vorliegende Auflage ist damit nur um 8% gegenuber der Auflage von 1959 gewachsen; ihr Um ang hat sich gegenuber der ersten Auflage des Jahres 1932 ungefahr verdoppelt. Neu aufgenommen wurde ein Abschnitt uber parametrische Verstarker in einem erweiterten neuen Kapitel uber nichtlineare Systeme. Andere Abschnitte wurden den heutigen Definitionen und Bezeichnungen angepabt und durch die Grundlagen neuer Bauelemente und Verfahren erweitert. Dabei wurde, soweit moglich, das Prinzip beibehalten, dab die Darstellung von Leichterem zu Schwierigerem fortschreitet. Die in den fruheren Auflagen verwendeten Frakturbuchstaben fur Vektoren und Wechselstromzeiger wurden entsprechend der international en Normung durch die lateinischen Buchstaben ersetzt. Die Vektoren werden durch Fettdruck, die Wechselstromzeiger durch Unterstreichen gekennzeichnet. Bei den Wechselstromzeigern wird es mehr und mehr ublich, auf eine besondere Kennzeichnung zu verzichten. Das ist immer dann zweckmabig, wenn nur selten auf Effektivwerte oder Augenblickswerte ubergegangen werden mub; eine besondere Kennzeichnung braucht dann nur fur diese angewendet zu werden. In den Abschnitten wird durchweg dieses Verfahren benutzt. Bei den Formelzeichen war eine UmsteIlung flir die Stromdichte und fur die Leitfahigkeit erforderlich, da hier die bisher verwendeten Buchstaben nicht in die neuen internationalen Normen aufgenommen wurden.

5 VI Vorwort zur achten Auflage Der Begriff der elektromotorischen Kraft wird in der vorliegenden Auflage nur noch erlautert, aber nicht mehr verwendet. Die einheitliche Definition der Spannung fur aile Arten von energieumsetzenden Zweipolen, unabhangig davon ob sie elektrische Energie liefern oder aufnehmen, erleichtert erfahrungsgemab das Verstandnis und reicht fur aile praktischen Anwendungen v611ig aus. Vielen Fachkollegen bin ich fur Anregungen zu der neuen Auflage zu Dank verpflichtet. lnsbesonderedanke ich Herrn Dipl.-Ing. ULRICH KLUGE fur seine Muhewaltung und Sorgfalt bei der Durchsicht des Manuskriptes und der Korrekturfahnen; ich danke ferner den Herren Dipl.-Ing. DIETRICH BECKER und GUNTHER HAASS fur Beitrage zu einigen Abschnitten. Dem Verlag danke ich fur das immer bewiesene Entgegenkommen. Darmstadt, im Dezember 1964 K. Kiipfmiiller

6 Einleitung Inhal tsverzeichnis Erstes Kapitel: Der stationare elektrische Strom. 5 I. Die Einheiten der elektrischen GroBen 5 1. Definitionen GroBengleichungen II. Der elektrische Strom in vviderstandsnetzen Grundgesetze der Stromung in Viliderstandsnetzen Hilfssatze fiir die Berechnung von Netzen III. Der elektrische Strom in raumlich ausgedehnten Leitern Grundbegriffe des riiumlichen Stromungsfeldes Die Grundgesetze des stationaren elektrischen Stromes Beispiele von Stromungsfeldern S. Der elektrische Strom in leitenden Stoff en Zweites Kapitel: Das elektrische Feld Das stationiire elektrische Feld Grundbegriffe des elektrischen Feldes Kondensatoren Beispiele elektrostatischer Felder Mehrleitersysteme Die mechanischen Krafte im elektrischen Feld; Energie des elektrischen Feldes Der zeitliche Vorgang des Aufbaues und Abbaues elektrischer Felder Die Potentialgleichung Beispiele elektrostatischer Felder als Losungen der Potentialgleichung Raumladungsfelder, Hochvakuumrohren, Halbleiterdioden und Transistoren. 138 IS. Graphische Methoden zur Ermittlung der Potentialverteilung in elektrostatischen Feldern II. Das langsam veranderliche elektrische Feld Verschiebungsstrom und Leitungsstrom 15f) 20. Der Wechselstromkreis mit Kapazitiit. 162 III. Stromleitung in Gasen und Durchschlag Gasentladungen Der Durchschlag von Isolierstoffen 193 Scite 1 Drittes Kapitel: Das magnetische Feld 1. Das stationare magnetische }'eld Grundbegriffe und Grundgesetze des magnetischen }'eldes 24. Magnetische Stoffeigenschaften ). Der magnetische Kreis. Elektromagnete. Dauermagnete. 26. Berechnungsverfahren fur magnetische Felder. 27. Beispiele magnetischer Felder S. Selbstinduktion, Gegeninduktion Die mechanischen Kriifte im magnetischen Feld Gegeniiberstellung der Grundgesetze der stationaren Felder

7 VIII Inhaltsverzeichnis II. Das langsam veranderliche magnetische Feld 31. Der Wechselstromkreis mit Induktivitat. 32. Die Wirbelstrome Die Ummagnetisierungsverluste Der Transformator Elektrisch-mechallische Energiewandler Viertes Kapitel: Netzwerke Theorie der Netze bei Wechselstrom 37. Allgemeine Netztheorie 38. Lineare Verstarker Fiinftes Kapitel: Lei tungen und Kettenlei ter. 39. Allgemeine Theorie der Leitungen 40. Spezialfalle und Naherungsformeln der Leitungstheorie. 41. Die LeistungsverhaItnisse hei Leitungen Kettenleiter. Wellenparametertheorie der Siebketten. Sechstes Kapitel: Rasch veranderliche Felder 43. Die Maxwellschen Feldgleichungen 44. Elektromagnetische Wellen Hohlleiter und Hohlresonatoren. SiebentesKapitel: Ausgleichsvorgange in linearen Systemen. 46. Allgemeine Gesetze der Ausgleichsvorgange in linearen Systemen. 47. Zeitfunktion und Spektrum Ausgleichsvorgange in Leitungen. 49. StabiIitat; Selbsterregung 50. UnregelmaBige Strome..... Achtes Kapitel: Nichtlineare Systeme 51. Ausgleichsvorgange in nichtlinearen Systemen. 52. Gesteuerte magnetische Elemente Parametrische Verstarker, Reaktanzverstarker. 54. Gleichrichter Anhang: MaBsysteme, Wichtige Konstanten. Literatur.... Sachverzeichnis. Seite lO