Grundlagen der Elektrotechnik 1

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1 Manfred Albach Grundlagen der Elektrotechnik 1 Erfahrungssätze, Bauelemente, Gleichstromschaltungen 3., aktualisierte Auflage

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 11 Kapitel 1 Das elektrostatische Feld Die elektrische Ladung Das Coulomb'sche Gesetz Die elektrische Feldstärke Überlagerung von Feldern Kräfte zwischen Ladungsverteilungen Ladungsdichten Darstellung von Feldern Feldbild für zwei Punktladungen Qualitative Darstellung von Feldbildern Das elektrostatische Potential Das Potential einer Punktladung Äquipotentialflächen Die elektrische Spannung Die elektrische Flussdichte Das Verhalten der Feldgrößen bei einer Flächenladung Feldstärke an leitenden Oberflächen Die Influenz Dünne leitende Platten im homogenen Feld Im leitenden Körper eingeschlossener Hohlraum Die dielektrische Polarisation Kräfte im inhomogenen Feld Sprungstellen der Dielektrizitätskonstanten Die Kapazität Der Plattenkondensator Der Kugelkondensator Einfache Kondensatornetzwerke Praktische Ausführungsformen von Kondensatoren Der Vielschichtkondensator Der Drehkondensator Der Wickelkondensator Die Teilkapazitäten Der Energieinhalt des Feldes Zusammenfassung Übungsaufgaben Kapitel2 Das stationäre elektrische Strömungsfeld Der elektrische Strom Die Stromdichte Definition des stationären Strömungsfeldes

3 2.4 Ladungsträgerbewegung im Leiter Die spezifische Leitfähigkeit und der spezifische Widerstand Das Ohm'sche Gesetz Praktische Ausführungsformen von Widerständen Festwiderstände Einstellbare Widerstände Weitere Widerstände Das Verhalten der Feldgräßen an Grenzflächen Verschwindende Leitfähigkeit in einem Teilbereich Perfekte Leitfähigkeit in einem Teilbereich Energie und Leistung Zusammenfassung Übungsaufgaben Kapitel3 Einfache elektrische Netzwerke Zählpfeile Spannungs- und Stromquellen Zählpfeilsysteme Die Kirchhoffschen Gleichungen Einfache Widerstandsnetzwerke Der Spannungsteiler Der belastete Spannungsteiler Messbereichserweiterung eines Spannungsmessgerätes Der Stromteiler Messbereichserweiterung eines Strommessgerätes Widerstandsmessung Reale Spannungs- und Stromquellen Wechselwirkungen zwischen Quelle und Verbraucher Zusammenschaltung von Spannungsquellen Leistungsanpassung Wirkungsgrad Das Überlagerungsprinzip Analyse umfangreicher Netzwerke Zusammenfassung Übungsaufgaben Kapitel 4 Stromleitungsmechanismen 4.1 Stromleitung im Vakuum Stromleitung in Gasen Stromleitung in Flüssigkeiten Ladungstransport in Halbleitern Der pn-übergang Die Diode Zusammenfassung... :.. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Übungsaufgaben

4 KapitelS Das stationäre Magnetfeld Magnete Kraft auf stromdurchflossene dünne Leiter Kraft auf geladene Teilchen Definition der Stromstärke Die magnetische Feldstärke Das Oersted'sche Gesetz Die magnetische Feldstärke einfacher Leiteranordnungen Unendlich langer kreisförmiger Linienleiter Toroidspule Lang gestreckte Zylinderspule Die magnetische Spannung Der magnetische Fluss Die magnetische Polarisation Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Dauermagnete Das Verhalten der Feldgräßen an Grenzflächen... " Die Analogie zwischen elektrischem und magnetischem Kreis Die Induktivität Induktivität der Ringkernspule Induktivität einer Doppelleitung Der magnetische Kreis mit Luftspalt und der AL-Wert Zusammenhang von Luftspaltlänge und Windungszahl Zusammenhang von LuftspaItlänge und Flussdichte Praktische Ausführungsformen von Induktivitäten Drahtgewickelte Luftspulen Planare Luftspulen Spulen mit hochpermeablen Kernen Zusammenfassung..., 228 Übungsaufgaben Kapitel 6 Das zeitlich veränderliche elektromagnetische Feld Das Induktionsgesetz Die Selbstinduktion Einfache Induktivitätsnetzwerke Die Gegeninduktion Die Gegeninduktivität zweier Doppelleitungen Die Koppelfaktoren Der Energieinhalt des Feldes Die Energieberechnung aus den Feldgrößen Die Hystereseverluste Anwendung der Bewegungsinduktion Das Generatorprinzip Das Drehstromsystem

5 6.7 Anwendung der Ruheinduktion Der verlustlose Übertrager Die Punktkonvention Der verlustlose streufreie Übertrager Der ideale Übertrager Die Widerstandstransformation Ersatzschaltbilder für den verlustlosen Übertrager Der verlustbehaftete Übertrager Der Spartransformator Zusammenfassung Übungsaufgaben Anhang A Vektoren 303 A.l Einheitsvektoren A.2 Einfache Rechenoperationen mit Vektoren A.2.1 Addition und Subtraktion von Vektoren A.2.2 Multiplikation von Vektor und Skalar A.3 Das Skalarprodukt A.4 Das Vektorprodukt A.5 Zerlegung eines Vektors in seine Komponenten A.6 Vektorbeziehungen in Komponentendarstellung A.7 Formeln zur Vektorrechnung Anhang B Orthogonale Koordinatensysteme 311 B.l Das kartesische Koordinatensystem B.2 Krummlinige orthogonale Koordinatensysteme B.3 Die Zylinderkoordinaten B.4 Die Kugelkoordinaten Anhang C Ergänzungen zur Integralrechnung 319 C.l Das Linienintegral einer vektoriellen Größe C.2 Der Fluss eines Vektorfeldes Anhang D Physikalische Grundbegriffe 327 D.l Physikalische Größen D.2 Physikalische Gleichungen D.2.1 Größengleichungen D.2.2 Zugeschnittene Größengleichungen Literaturverzeichnis 333 Verzeichnis der verwendeten Symbole 335 Griechisches Alphabet 341 Koordinatensysteme 342 Register 345