Elektrotechnik. ~ Springer Vieweg. Ein Grundlagenlehrbuch. Dieter Zastrow. 19., korrigierte Auflage

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1 Dieter Zastrow Elektrotechnik Ein Grundlagenlehrbuch 19., korrigierte Auflage Mit 547 Abbildungen, 140 Beispielen und 224 Übungsaufgaben mit Lösungen sowie 27 Übersichten als Wissensspeicher ~ Springer Vieweg

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V 1 Elektrische Ladung Beobachtungen und Grundannahmen Atomistische Deutung Ladungstrennung und elektrisches Feld Ladungsträger Übungsaufgaben Elektrische Spannung : Energietransportaufgabe des Stromkreises Spannung als Kennwert eines Arbeitsvermögens Spannung als Potenzialdifferenz Potenzialgefalle und Feldstärke Potenzial- und Spannungsmessung Spannungszählpfeile Übungsaufgaben Elektrische Strömung Stromrichtung und Stromstärke Zeitlich konstante Strömung Zeitlich veränderliche Strömung Transportierte Ladungsmenge Messen der Stromstärke Stromdichte Übungsaufgaben VII

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Elektrischer Widerstand Widerstandsbegriff Lineare Widerstände Nichtlineare Widerstände Ohm'sches Gesetz und Leitungswiderstand Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Übungsaufgaben Grundstromkreise Grundgesetze der Stromkreise Reihenschaltung von Widerständen Gesamtwiderstand der Reihenschaltung Spannungsteilung in der Reihenschaltung Parallelschaltung von Widerständen l Gesamtwiderstand der Parallelschaltung Stromteilung in der Parallelschaltung Spannungsquelle mit Innenwiderstand Ersatzschaltung einer Spannungsquelle Stromquelle mit Innenwiderstand l Ersatzschaltung einer Stromquelle Übungsaufgaben Energieumsetzung im Verbraucher Elektrische Arbeit Joule'sches Gesetz Elektrische Leistung Strom- und Spannungsabhängigkeit der Leistung Nennleistung Energieumwandlung und Wirkungsgrad Energieübertragung und Wirkungsgrad Leistungsanpassung Übungsaufgaben 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

4 Inhaltsverzeichnis IX 8 Netzwerke Netzwerk Kreisstromverfahren Überlagerungsmethode...: Übungsaufgaben 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 Kapazitive Kopplung von Stromkreisen Influenz Abschirmung Energie des elektrostatischen Feldes Kräfte im elektrostatischen Feld Kräfte auf freie Ladungen Kraft zwischen parallelen Flächen Übungsaufgaben Ladungsvorgänge bei Kondensatoren Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom Kondensatoraufladung über Vorwiderstand an konstanter Spannung Entladung des Kondensators über einen Widerstand Übungsaufgaben

5 X Inhaltsverzeichnis 13 Magnetisches Feld Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters Induktivität Induktivitätsberechnung Magnetische Eigenschaften des Eisens Magnetischer Kreis Magnetische Energie der Spule Luftspule Eisengefüllte Spule Eisengefüllte Spule mit Luftspalt Hystereseverluste Kraftwirkungen Kraftwirkung zwischen zwei Magneten Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter Kraftwirkung auf bewegte Ladungen Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern Übungsaufgaben Induktion Induktion in der Leiterschleife Induktionsgesetz Induktionsspule Generatorprinzip Selbstinduktion Zur Richtung der Selbstinduktionsspannung Übungsaufgaben Schaltvorgänge bei Spulen in Gleichstromkreisen Einschaltvorgang Abschaltvorgang Übungsaufgaben Sinusförmige Änderungen elektrischer Größen Darstellung sinusförmiger Größen Beschreibungsmittel Liniendiagramm Beschreibungsmittel Funktionsgleichung Beschreibungsmittel Zeigerdiagramm Frequenz, Kreisfrequenz Übungsaufgaben

6 Inhaltsverzeichnis XI 17 Mittelwerte periodischer Größen Arithmetischer Mittelwert: Gleichanteil der Größe Gleichrichtwert Quadratischer Mittelwert: Effektivwert der Größe Scheitelfaktor ( Crestfaktor) 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

7 XII Inhaltsverzeichnis 22.2 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 Definition der Widerstands- und Leitwert-Operatoren Standard-Problemstellungen für komplexe Rechnung Äquivalente Schaltung Komplexer Widerstand von Netzwerken Komplexer Spannungsteiler Komplexer Stromteiler Besondere Phasenbedingung Schaltungsanalyse mit Hilfe von Zeigerdiagrammen Zeigerdiagrarnmtechnik Zeigerdiagramm einer Phasenschieberschaltung Zeigerdiagrarnm zur Blindstromkompensation Zeigerdiagramm der eisengefüllten Spule Ortskurven Übungsaufgaben Frequenzgang von RC-Übertragungsgliedern Frequenzgang Tiefpass Hochpass Bandpass 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

8 Inhaltsverzeichnis XIII 26 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 Lösungen der Übungen Memory Die gesetzlichen Einheiten im Messwesen Vorzeichen- und Richtungsregeln (Zählpfeile) Memory zu Kapitel 1: Elektrische Ladung Memory zu Kapitel 2: Elektrische Spannung Memory zu Kapitel 3: Elektrische Strömung Memory zu Kapitel 4: Elektrischer Widerstand Memory zu Kapitel 5: Grundstromkreise Memory zu Kapitel 6: Energieumsetzung im Verbraucher Memory zu Kapitel 7: Verzweigte Stromkreise Memory zu Kapitel 8: Netzwerke Memory zu Kapitel 9: Ersatzquellen Memory zu Kapitel 10: Eigenschaften und Bemessung des Spannungsteilers 505 Memory zu Kapitel 11: Elektrostatisches Feld Memory zu Kapitel 12: Ladungsvorgänge bei Kondensatoren Memory zu Kapitel 13: Magnetisches Feld Memory zu Kapitel 14: Induktion Memory zu Kapitel 15: Schaltvorgänge bei Spulen Memory zu Kapitel 16: Sinusförmige Änderung elektrischer Größen. 511 Memory zu Kapitel 17: Mittelwerte periodischer Größen 512 Memory zu Kapitel 18: Addition frequenzgleicher Wechselgrößen. 513 Memory zu Kapitel 19: Idealer Wirkwiderstand im Wechselstromkreis. 5 i 4

9 XIV Inhaltsverzeichnis Memory zu Kapitel 20: Idealer Kondensator im Wechselstrom.kreis Memory zu Kapitel 21: Ideale Spule im Wechselstromkreis Memory zu Kapitel 22: Grundschaltungen im Wechselstromkreis 517 Memory zu Kapitel 23: Einführung der komplexen Rechnung. 518 Memory zu Kapitel 24: Frequenzgang von RC-Gliedern Memory zu Kapitel 25: Schwingkreis, Resonanzkreis. 520 Memory zu Kapitel 26: Transformatoren Memory zu Kapitel 27: Dreiphasensystem Sachwortverzeichnis