Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik

Transkript

1 Heinz-Josef Bauckholt Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik 5., neu bearbeitete Auflage mit 617 Bildern sowie zahlreichen Tabellen, Beispielen, Übungen und Testaufgaben HANSER

2 Inhalt Grundlagen der Elektrotechnik 0 Einleitung 1 Elektrische Grundgrößen 1.0 Elektrizität und Elektrotechnik 1.1 Elektrischer Strom Elektrische Ladung als Ursprung der Elektrizität.1.1 Das Elektron im Atomaufbau. 1.2 Das Elektron als kleinste elektrische Ladung.1.3 Das Modell des elektrischen Feldes um eine elektrische Ladung Stromfluss als gerichtete bewegte Ladung Elektrischer Stromfluss Elektronengeschwindigkeit und Stromgeschwindigkeit Stromdichte Wirkungen des elektrischen Stromes Stromarten 1.2 Elektrische Spannung Energieniveau zwischen getrennten Ladungen Spannungsgewinnung durch Energieumwandlung Spannungsarten 1.3 Elektrischer Widerstand Stromleitung in Metallen Aufbau und Gitterstruktur von Metallen Das Bändermodell bei Metallen Vorgang der Stromleitung Elektrischer Widerstand als Strombegrenzer Spezifischer elektrischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit Bemessungsgleichung des Widerstandes Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Stromleitung in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen 2 Elektrischer Stromkreis 2.1 Aufbau des technischen Stromkreises 2.2 Strömungsgesetze im elektrischen Stromkreis Ohm'sches Gesetz Widerstandsdiagramme Einführung Lineare Widerstände Nichtlineare Widerstände 2.3 Messung von Strom und Spannung Strommessung Spannungsmessung 2.4 Aktive und passive Zwei- und Vierpole Einführung Zweipole Definitionen Spannungsquelle als aktiver Zweipol Widerstand und andere Verbraucher" als passiver Zweipol

3 L 10 Inhalt Vierpole Definitionen Ausgewählte aktive Vierpole Ausgewählte passive Vierpole 60 3 Grundschaltungen für Gleichstrom Reihenschaltung von Widerständen Gesamtstrom, Gesamtspannung, Gesamtwiderstand Verhältnisbildung zwischen Teilspannung und Teilwiderständen Spannungsteilung Der feste bzw. fest eingestellte unbelastete Spannungsteiler Der stellbare unbelastete Spannungsteiler (Potenziometerschaltung) Vergleich von Spannungspotenzialen Grafische Lösung einer Reihenschaltung Parallelschaltung von Widerständen Gesamtspannung, Gesamtstrom, Gesamtwiderstand Verhältnisbildung zwischen Teilströmen und Widerständen Stromteilung Ersatzwiderstand = Gesamtwiderstand parallel geschalteter Widerstände Ersatzleitwert Grafische Lösung einer Parallelschaltung Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle Ersatzspannungsquelle Einführung Schaltung Kennlinie und Kenngrößen Ersatzstromquelle Einführung Schaltung Kennlinie und Kenngrößen Gemischte Schaltungen von Widerständen Reihen-und Parallelschaltungen von Widerständen in einer Schaltung Belasteter Spannungsteiler Einführung Fester belasteter Spannungsteiler Stellbarer belasteter Spannungsteiler (Potenziometerschaltung) Brückenschaltung Einführung Die abgeglichene Brückenschaltung Die unabgeglichene Brückenschaltung Netzwerke und ihre Berechnungsmethoden Einführung Stern-Dreieck-Umwandlung Maschen- und Knotenpunktgleichungen Ersatzspannungs-und Ersatzstromquellen Umwandlung Überlagerungssatz Passive Vierpole aus Widerstandsnetzwerken Einführung Aufstellung von Vierpolgleichungen Definition und Kennzeichnung der Vierpolparameter Ermittlung der Bauelementdaten einer Vierpol-Innenschaltung aus den Daten der Vierpolparameter Elektrische Arbeit und Leistung Elektrische Arbeit 132

4 Inhalt Elektrische Leistung Leistungshyperbel Nutzleistung und Verlustleistung Wirkungsgrad Leistungsanpassung Umwandlung elektrischer Energie in andere Energien und umgekehrt Einführung Elektrische Energie in mechanische Energie Elektrische Energie in thermische Energie Elektrische Energie in optische Energie Elektrische Energie in chemische Energie Einführung Elektrolyse und Leitungsmechanismus in Flüssigkeiten Elektrochemische Spannungsquellen Galvanische Elemente (Primärelemente) Akkumulatoren (Sekundärelemente) 161 Praxisorientierte Lernaufgaben Das elektrische Feld und der Kondensator Einführung Erscheinungsformen des elektrischen Feldes Elektrische Felder zwischen elektrischen Ladungen elektrostatische Felder Elektrische Felder in und zwischen Strom führenden Leitern Einführung Felder in Strom führenden Leitern Felder zwischen Strom führenden Leitern Die elektrische Feldstärke als Kenngröße des elektrischen Feldes Kräfte im elektrischen Feld und das Coulomb'sche Gesetz Spannungspotenziale in elektrischen Feldern Spannung im elektrischen Feld Spannung zwischen getrennten Ladungen Ladungsspeicherung und Kondensator Isolierstoffe im elektrischen Feld Ladungsverschiebung in Isolierstoffen oder die elektrische Influenz Feldkonstante des elektrischen Feldes Bemessungsgleichung der Kapazität Schaltungen von Kondensatoren Reihenschaltung von Kondensatoren Parallelschaltung von Kondensatoren Reihen- und Parallelschaltungen von Kondensatoren in einer Schaltung Schaltvorgänge am Kondensator Einschalt-oder Ladevorgang am Kondensator Ausschalt- oder Entladevorgang am Kondensator Gespeicherte Energie eines geladenen Kondensators und die Energie des elektrischen Feldes 205 Praxisorientierte Lernaufgaben Das magnetische Feld Erscheinungsformen des magnetischen Feldes Das magnetische Feld eines Natur-oder Dauermagneten Das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters 211

5 r 12 Inhalt Das magnetische Feld einer stromdurchflossenen Spule oder eines Elektromagneten Eigenschaften magnetischer Felder Kenngrößen des magnetischen Feldes Magnetfluss oder magnetischer Induktionsfluss Magnetflussdichte oder magnetische Flussdichte Elektrische Durchflutung Magnetische Feldstärke Magnetischer Widerstand und magnetischer Leitwert Magnetisierungskennlinien Die Magnetflussdichte als Funktion der magnetischen Feldstärke Magnetisierungskennlinie einer Luftspule Magnetisierungskennlinie einer Spule mit Kern aus ferromagnetischen Werkstoffen Aufbau der Magnetisierungskennlinien ferromagnetischer Werkstoffe Magnetisierungskennlinien magnetischer Werkstoffe beim Ummagnetisierungsvorgang oder die magnetische Hysteresis Arten und Aussteuerung von Hystereseschleifen Magnetisierungsarbeit und Magnetisierungsverluste Magnetisierungsarbeit Magnetisierungsverluste Der magnetische Kreis Kräfte im Magnetfeld Kräfte an magnetischen Polen Kräfte zwischen magnetischen Feldern Magnetflussdichte und Feldstärke des magnetischen Feldes eines stromdurchflossenen Leiters Überlagerung von magnetischen Feldern parallel verlaufender stromdurchflossener Leiter Kräfte zwischen dem magnetischen Feld eines stromdurchflossenen Leiters oder einer Spule und dem magnetischen Feld eines Dauermagneten Motorprinzip Kräfte zwischen den magnetischen Feldern stromdurchflossener Leiter Magnetische Induktion oder Spannungserzeugung durch Veränderung magnetischer Felder Bewegung eines stromlosen Leiters im konstanten magnetischen Feld Generatorprinzip Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters im konstanten magnetischen Feld Generatorprinzip Induktionsgesetz bei bewegten Leitern und Spulen im konstanten magnetischen Feld Einführung Induktionsgesetz bei geradliniger Bewegung eines Leiters oder einer Spule Induktionsgesetz bei Rotationsbewegung eines Leiters oder einer Spule Induktionsgesetz bei ruhenden Leitern oder Spulen im zeitlich veränderlichen magnetischen Feld Induktivität, die magnetische Kenngröße einer Spule Energie des Magnetfeldes Reihen- und Parallelschaltung von Induktivitäten Schaltvorgänge an Spulen 262

6 Inhalt Transformatorprinzip 264 Praxisorientierte Lernaufgabe Grundschaltungen für Wechselspannungen Darstellung und Kenngrößen von Wechselspannung und Wechselstrom Einführung Zeiger-und Liniendiagramme Kenngrößen von Wechselspannung und Wechselstrom Zeitliche Betrachtung von Wechselspannungen und Wechselströmen Überlagerung von Wechselspannungen und die Fourier-Analyse Verhalten der idealen Grundschaltelemente an Wechselspannung Idealer Wirkwiderstand an Wechselspannung Idealer Kondensator an Wechselspannung Ideale Spule an Wechselspannung Komplexe Rechnung und die Anwendung im Wechselstromkreis Komplexe Zahlen Komplexe Zahlenebene Rechenregeln Elektrische Größen in komplexer Schreibweise Reihenschaltungen im Wechselstromkreis Widerstand und Kondensator Widerstand und Spule Kondensator und Spule Widerstand, Kondensator und Spule Parallelschaltungen im Wechselstromkreis Widerstand und Kondensator Widerstand und Spule Kondensator und Spule Widerstand, Kondensator und Spule Gemischte Schaltungen im Wechselstromkreis Impedanzschaltungen Resonanz im Wechselstromkreis Begriff der Grenzfrequenz Begriff der Resonanz und der Resonanzfrequenz Reihenresonanzkreis Einführung Idealer Reihenresonanzkreis Realer Reihenresonanzkreis Parallelresonanzkreis Einführung Idealer Parallelresonanzkreis Realer Parallelresonanzkreis Impedanzschaltungen und das Verhalten bei variablen Frequenzen Ortskurven Einführung Ortskurven von Reihenschaltungen Ortskurven von Parallelschaltungen Ortskurve einer gemischten Impedanzschaltung Elektrische Arbeit und elektrische Leistung im Wechselstromkreis Leistung im Wechselstromkreis Einführung Wirkleistung Blindleistung Wirk-, Blind-und Scheinleistung im Wechselstromkreis Blindleistungskompensation oder Leistungsfaktorverbesserung Arbeit im Wechselstromkreis 370 Praxisorientierte Lernaufgaben 372

7 14 Inhalt 7 Mehrphasenwechselspannung Mehrphasenwechselstrom (Drehstrom) Erzeugung von Mehrphasenwechselspannung Dreiphasenwechselspannung Spannungserzeuger in Sternschaltung Spannungserzeuger in Dreieckschaltung Verbraucher in Sternschaltung Verbraucher in Dreieckschaltung Spannungsnetze öffentliche Netze 389 Praxisorientierte Lernaufgaben 392 Bauelemente der Elektrotechnik - Grundschaltelemente Vorbemerkung zu den Kapiteln 8 bis Lineare technische Widerstände Einleitung Bauarten technischer Widerstände Einführung Festwiderstände Einführung Schichtwiderstände Drahtwiderstände Stellbare Widerstände (Potenziometer) Einführung Schichtpotenziometer Drahtpotenziometer Daten und Normen technischer Widerstände Technische Daten Normung Normung der Widerstandswerte Normung der Kennzeichnung Technische Kondensatoren Bauarten technischer Kondensatoren Einführung Wickelkondensatoren Einführung MP-Kondensatoren MK-Kondensatoren Keramikkondensatoren Elektrolytkondensatoren Einführung Aluminium-Elektrolytkondensatoren Tantal-Elektrolytkondensatoren Stellbare Kondensatoren (Drehko) Daten und Normen technischer Kondensatoren Technische Daten Normung Normung der Kapazitätswerte Normung der Kennzeichnung 416

8 Inhalt Technische Spulen Bauarten technischer Spulen Einführung Luftspulen Spulen mit Kern aus magnetischem Werkstoff Daten technischer Spulen 426 Praxisorientierte Lernaufgaben 426 Lösungen aller Übungen und Lernaufgaben 428 Literaturhinweise: I. Fachschulen für Technik 471 II. Fachhochschulen 471 Sachwortverzeichnis 473