Lehr- und Übungsbuch Elektrotechnik

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1 Lehr- und Übungsbuch Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Siegfried Altmann Prof. Dr.-Ing. Detlef Schlayer 2., bearbeitete Auflage mit 689 Bildern, 7 Tabellen, 186 Beispielen und Lösungen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis 1 Elektrische Grundgrößen und Grundgesetze 1.1 Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Vektorrechnung Feldbeschreibung Elektrische Größen Elektrische Ladung Coulombsches Gesetz Elektrische Feldstärke Elektrische Stromstärke Elektrische Spannung und elektrisches Potential Elektrischer Widerstand, Leitwert und Ohmsches Gesetz Bemessungsgleichung Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Definitionsgleichung und Ohmsches Gesetz Strom-Spannungs-Kennlinien Elektrische Stromdichte Zusammenhang zwischen Stromdichte und Stromstärke Widerstandsberechnungen bei inhomogenen Strukturen Zusammenhang zwischen Feldstärke und Stromdichte Zusammenhang zwischen Stromdichte und Kenngrößen der Ladung Elektrische Leistung und Leistungsdichte 61 2 Einfache Stromkreise 2.1 Kirchhof/sehe Sätze Knotenpunktsatz Maschensatz Zweipolersatzschaltungen Passive Zweipole Passive Ersatzschaltungen Reihenschaltung vonwiderständen Parallelschaltung von Widerständen Berechnung von Ersatzwiderständen Dreieck-Stern-, Stern-Dreieck-Transformation Aktive Zweipole Ideale Quellen Spannungs- und Stromquellen-Ersatzschaltungen Aktive Ersatzzweipole 79

3 Inhaltsverzeichnis Grundstromkreis Strom-, Spannungsbeziehungen im Grundstromkreis Grafische Arbeitspunktermittlung im Grandstromkreis Schaltungen mit nichtlinearen Zweipolen Anwendung der Kirchhoffschen Gesetze Spannungsteilerregel Stromteilerregel Messen von Strom und Spannung Leistungsumsatz im Grundstromkreis Leistungsumsatz mit maximalen Wirkungsgrad Leistungsanpassung Zeitabhängige Größen 3.1 Klassifikation Periodische Größen Mittelwerte und Bewertungsfaktoren Arithmetischer Mittelwert (Gleichwert) Gleichrichtwert Effektivwert Bewertungsfaktoren Harmonische Größen Darstellung und mathematische Beschreibung Überlagerung Zeigerdarstellung Nichtharmonische periodische Größen Magnetischer Kreis 4.1 Magnetische Grundgrößen Magnetischer Fluß und magnetische Flußdichte Durchflutung Magnetischer Widerstand und magnetische Spannung Magnetische Feldstärke Zusammenhang zwischen Feldstärke und Flußdichte Durchflutungsgesetz Berechnung magnetischer Kreise Unverzweigter magnetischer Kreis Verzweigter magnetischer Kreis Induktionsgesetz 148

4 8 Inhaltsverzeichnis 5 Elektrische Energiespeicher 5.1 Kapazität Elektrischer Fluß und Flußdichte Definitions- und Bemessungsgleichung Schaltung von Kondensatoren Energie und Kräfte Induktivität Selbstinduktivität Definitions- und Bemessungsgleichung Schaltung von Induktivitäten Gegeninduktivität Energie und Kräfte Die komplexe Rechnung in der Wechselstromtechnik 6.1 Komplexe Zeiger Symbolische Methode Widerstands- und Leitwertoperator Operatoren der Grundschaltelemente Die komplexe Berechnung von Wechselstromschaltungen Komplexe Zweipolquellen Komplexe Ersatzschaltungen Die Kirchhoffschen Sätze in komplexer Form Ersatzimpedanz, Ersatzadmittanz Einfache Strom- und Spannungsberechnungen Komplexe Spannungs- und Stromteilerregel Äquivalente Ersatzschaltungen Zeigerbilder Besondere Wechselstrom-Schaltungen Wechselstromleistung 7.1 Leistungsgrößen und Definitionsgieichungen Wirkleistung Blindleistung Scheinleistung und Leistungsfaktor Komplexe Darstellung der Wechselstromleistung Blindleistungskompensation Messung der Wechselstromleistung 223

5 Inhaltsverzeichnis 9 8 Netzwerkberechnung 8.1 Beschreibung von Netzwerken Berechnungsverfahren nach Kirchhoff Zweigstromanalyse Maschenstromanalyse Knotenspannungsanalyse Überlagerungssatz Zweipoltheorie Mehrtortheorie Das Mehrtor als allgemeiner Fall Zweitore (Vierpole) Aufbau und Berechnungsgrundlagen Kombination von Zweitoren Symmetrische Zweitore Transformator (Übertrager) Netzwerke mit induktiver Kopplung Drehstromsysteme 9.1 Grundschaltungen Drehstromleistung Frequenzabhängigkeit von Schaltungen 10.1 Frequenzabhängigkeit von Zweipolen Zweipolfunktion, Zweipolcharakterisik Ortskurven des Widerstandes und des Leitwertes Technische Schaltelemente Widerstand Kondensator Technische Spule Resonanz Reihenschwingkreis Parallelschwingkreis Frequenzabhängigkeit von Vierpolen 334

6 10 Inhaltsverzeichnis 11 Übergangsverhalten elektrischer Netzwerke 11.1 Problemstellung Ausgleichsvorgänge bei Gleichspannung Ohmsche Belastung Kapazitive Belastung Einschaltvorgang Entladevorgang Induktive Belastung Einschaltvorgang Entladevorgang Induktive und kapazitive Belastung Reihenschaltung von R, L und C Parallelschaltung von R, L und C Ausgleichsvorgänge bei sinusförmiger Erregung Wechselstromnetz mitr undl Wechselstromnetzwerk mitr und C Netzwerke mit nichtharmonischen Größen 12.1 Mittelwerte und Bewertung nichtharmonischer Größen Einfluß der Grundschaltelemente R, L, C Einfluß nichtlinearer Schaltelemente 367 Literaturverzeichnis 368 Sachwortverzeichnis 372 Formelzeichenverzeichnis 379