Elektrotechnik. Dieter Zastrow

Transkript

1 Dieter Zastrow Elektrotechnik Ein Grundlagenlehrbuch 17., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 527 Abbildungen, 142 Beispielen und 225 Übungsaufgaben mit Lösungen sowie 27 Übersichten als Wissensspeicher STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 VII Inhaltsverzeichnis Vorwort V 1 Elektrische Ladung 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 49 5:5 Stromquelle mit Innenwiderstand Übungsaufgaben 55

3 VTII, Inhaltsverzeichnis 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/-[/-kennlinien 104 ' 9.6 Übungsaufgaben Eigenschaften und Bemessung des Spannungsteilers Leerlauffäll Belastungsfall Linearitätsfehler des belasteten Spannungsteilers 113 v 10.4 Dimensionierung des Spannungsteilers Übungsaufgaben Elektrostatisches Feld Elektrostatisches Feld des Plattenkondensators Kapazität Kapazitätsberechnung ' Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren Kapazitive Kopplung von Stromkreisen 131

4 Inhaltsverzeichnis IX i 11.6 Energie des elektrostatischen Feldes 133 j 11.7 Kräfte im elektrostatischen Feld 135 I 11.8 Übungsaufgaben : 140 i ' : j 12 Ladungsvorgänge bei Kondensatoren Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom Kondensatoraufladung über Vorwiderstand an konstanter Spannung Entladung des Kondensators über einen Widerstand 149 : 12.4 Übungsaufgaben 153 ; 13 Magnetisches Feld 154 I 13.1 Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters 154! 13.2 Induktivität 155 j 13.3 Induktivitätsberechnung 156 i 13.4 Magnetische Eigenschaften des Eisens 163 : 13.5 Magnetischer Kreis 166 ' 13.6 Magnetische Energie der Spule 167 ; 13.7 Hystereseverluste 171 I 13.8 Kraftwirkungen 172 ; 13.9 Übungsaufgaben 179 I 14 Induktion 181 I 14.1 Induktion in der Leiterschleife 181 j 14.2 Induktionsgesetz 182 j 14.3 Induktionsspule 187 ' 14.4 Generatorprinzip 188 I 14.5 Selbstinduktion Übungsaufgaben 196 \ 15 Schaltvorgänge bei Spulen in Gleichstromkreisen 198 ' 15.1 Einschaltvorgang Abschaltvorgang 202 j 15.3 Übungsaufgaben Sinusförmige Änderungen elektrischer Größen Darstellung sinusförmiger Größen 208 I 16.2 Frequenz, Kreisfrequenz 213 i 16.3 Übungsaufgaben Mittelwerte periodischer Größen 217 I 17.1 Arithmetischer Mittelwert: Gleichanteil der Größe 217 ; '" 17.2 Gleichrichtwert Quadratischer Mittelwert: Effektivwert der Größe Scheitelfaktor (Crestfaktor) 223 1>7.5 Formfaktor Übungsaufgaben 227 t

5 X Inhaltsverzeichnis 18 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 '. 258, Leistung Reihenschaltung von Widerstand und Spule Phasenlage zwischen Strom und Spannung Ohm'sches Gesetz, Scheinwiderstand Ersatzschaltung der verlustbehafteten Spule ohne Eisen Energieumsetzung, Leistung Übungsaufgaben 267 V 23 Einführung der komplexen Rechnung Komplexe Darstellung von sinusförmigen Größen 268 J Äquivalente Schaltung Komplexer Widerstand von Netzwerken Komplexer Spannungsteiler Komplexer Stromteiler Besondere Phasenbedingung 281

6 Inhaltsverzeichnis XI 23.2 Definition der Widerstands- und Leitwert-Operatoren Standard-Problemstellungen für komplexe Rechnung Äquivalente Schaltung Komplexer Widerstand von Netzwerken Komplexer Spannungsteiler Komplexer Stromteiler Besondere Phasenbedingung 281 "> 23.4 Schaltungsanalyse mit Hilfe von Zeigerdiagrammen Zeigerdiagrammtechnik Zeigerdiagramm einer Phasenschieberschaltung Zeigerdiagramm zur Blindstromkompensation Zeigerdiagramm der eisengefüllten Spule Ortskurven Übungsaufgaben Frequenzgang von /fc-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 344

7 XTI Inhaltsverzeichnis 27.6 Leistung bei Drehstrom Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes Übungsaufgaben 348 Lösungen der Übungen 350 Memory 427 Sachwortverzeichnis. 459 J