Grundlagen der Elektrotechnik 1 (eBook)

Inhaltsverzeichnis 5
Vorwort 11
1 Einleitung 13
2 Grundbegriffe 15
2.1 Elektrische Ladung 15
2.2 Leiter und Nichtleiter 16
2.3 Elektrischer Strom und Stromstärke 17
2.4 Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger 20
2.5 Stromdichte 21
2.6 Energie 22
2.7 Elektrisches Potenzial und elektrische Spannung 23
2.8 Zählpfeilsysteme 25
2.9 Elektrischer Widerstand 27
2.9.1 Strom-Spannungs-Kennlinie 28
2.9.2 Nichtlineare passive Zweipole 31
2.9.3 Widerstandsberechnung eines Leiters 35
2.9.4 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes 36
2.10 Elektrische Quelle 40
2.10.1 Spannungsquelle 40
2.10.2 Stromquelle 44
2.11 Elektrische Energie und elektrische Leistung, Wirkungsgrad 46
2.11.1 Elektrische Energie 46
2.11.2 Elektrische Leistung 47
2.11.3 Wirkungsgrad 48
2.11.4 Leistungsanpassung 49
3 Berechnung von Netzwerken 53
3.1 Knoten- und Maschensatz 53
3.1.1 Knotensatz 53
3.1.2 Maschensatz 54
3.2 Schaltung von ohmschen Widerständen 56
3.2.1 Reihenschaltung 56
3.2.2 Parallelschaltung 58
3.2.3 Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen 60
3.2.4 Stern-Dreieck-Umwandlung 70
3.2.5 Rekursives Berechnungsverfahren 74
3.3 Reihen- und Parallelschaltung von Quellen 75
3.3.1 Reihenschaltung 75
3.3.2 Parallelschaltung 77
3.4 Netzwerkberechnung mittels Knoten- und Maschensatz 80
3.4.1 Aufstellen der Knoten- und Maschengleichungen 81
3.4.2 Aufstellen und Lösen des Gleichungssystems 84
3.5 Maschenstromverfahren 86
3.5.1 Maschenstromverfahren bei Netzwerken ohne Stromquellen 87
3.5.2 Maschenstromverfahren bei Netzwerken mit Stromquellen 89
3.6 Knotenpotenzialverfahren 91
3.6.1 Knotenpotenzialverfahren bei Netzwerken ohne Spannungsquellen 92
3.6.2 Knotenpotenzialverfahren bei Netzwerken mit Spannungsquellen 94
3.7 Überlagerungsverfahren 99
3.8 Zweipoltheorie 103
3.8.1 Lineare aktive und passive Ersatzzweipole 103
3.8.2 Nichtlineare passive Ersatzzweipole 107
3.8.3 Nichtlineare aktive Ersatzzweipole 118
3.9 Vierpole 119
3.9.1 Vierpolgleichungen 121
3.9.2 Zusammenschaltung von Vierpolen 123
4 Elektrisches Feld 127
4.1 Grundbegriffe 127
4.1.1 Ursache und Richtungssinn des elektrischen Feldes 128
4.1.2 Elektrische Feldstärke und Spannung 130
4.2 Elektrisches Strömungsfeld 132
4.2.1 Feld der Stromdichte 132
4.2.2 Homogenes elektrisches Strömungsfeld 133
4.2.3 Inhomogenes elektrisches Strömungsfeld 136
4.3 Elektrostatisches Feld 138
4.3.1 Merkmale des elektrostatischen Feldes 138
4.3.2 Elektrischer Verschiebungsfluss und elektrische Verschiebungsdichte 142
4.3.3 Zusammenhang zwischen elektrischer Verschiebungsdichte und elektrischer Feldstärke 144
4.3.4 Überlagerung von Potenzialfeldern 146
4.3.5 Durchschlagfeldstärke 149
4.4 Kapazitäten 151
4.4.1 Definition der Kapazität 151
4.4.2 Kapazitäten einiger Kondensatoren 152
4.4.3 Leitungskapazitäten 155
4.4.4 Nichtlineare Kapazität und Temperaturabhängigkeit 157
4.5 Schaltung von Kondensatoren 158
4.5.1 Parallelschaltung von Kondensatoren 158
4.5.2 Reihenschaltung von Kondensatoren 159
4.5.3 Gemischte Schaltung von Kondensatoren 165
4.5.4 Geschichtete Dielektrika 167
4.6 Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld 174
4.6.1 Energie im elektrostatischen Feld 174
4.6.2 Kräfte im elektrostatischen Feld 175
4.7 Schaltvorgänge im Gleichstromkreis 177
4.7.1 Ladevorgang bei einer Kapazität 177
4.7.2 Entladevorgang bei einer Kapazität 183
4.7.3 Umladung bei Kapazitäten 186
5 Stationäres magnetisches Feld 191
5.1 Grundbegriffe 191
5.1.1 Elektrische Durchflutung 193
5.1.2 Magnetische Feldstärke 194
5.1.3 Magnetische Spannung 196
5.1.4 Magnetischer Widerstand und Leitwert 197
5.1.5 Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte 198
5.1.6 Analogie zwischen den elektrischen Feldern und dem magnetischen Feld 199
5.1.7 Magnetische Ersatzschaltbilder 200
5.2 Berechnung magnetischer Felder in nichtferromagnetischen Stoffen 201
5.2.1 Feld eines geraden, langen Leiters mit kreisförmigem Querschnitt 201
5.2.2 Feld eines geraden, langen Hohlleiters 204
5.2.3 Feld einer langen Zylinderspule 205
5.2.4 Feld einer Ringspule 206
5.2.5 Feld einer geraden, langen Koaxialleitung 208
5.2.6 Gesetz von Biot-Savart 209
5.3 Überlagerung magnetischer Felder 212
5.4 Berechnung magnetischer Felder in ferromagnetischen Stoffen 217
5.4.1 Verhalten der Materie im magnetischen Feld 217
5.4.2 Feldgrößen an Materialübergängen 221
5.4.3 Magnetische Streuung 224
5.4.4 Berechnung unverzweigter und verzweigter magnetischer Kreise 225
5.4.5 Dauermagnetkreis 241
6 Zeitlich veränderliches magnetisches Feld 245
6.1 Induktionsgesetz 245
6.1.1 Festlegung der Zählpfeile 245
6.1.2 Verkettungsfluss 246
6.1.3 Bewegter Leiter in einem magnetischen Feld 247
6.1.4 Induktionsgesetz in allgemeiner Form 251
6.1.5 Induzierte elektrische Feldstärke und Spannung 253
6.1.6 Induktion durch Flächenänderung 256
6.1.7 Induktion durch Änderung der magnetischen Flussdichte 265
6.1.8 Induktion durch Flächenänderung und zeitliche Änderung der magnetischen Flussdichte 268
6.2 Selbstinduktion 271
6.2.1 Induktivität 273
6.2.2 Berechnung der Induktivität verschiedener Spulen und Leiteranordnungen 274
6.2.3 Zweipoldarstellung einer Induktivität 282
6.2.4 Zusammenschaltung von Induktivitäten 283
6.3 Schaltvorgänge im Gleichstromkreis 285
6.3.1 Kurzschließen einer stromdurchflossenen Induktivität 285
6.3.2 Einschalten einer Induktivität 288
6.3.3 Ausschalten einer Induktivität 290
6.4 Magnetische Kopplung 293
6.4.1 Gegenseitige Induktivität 293
6.4.2 Kopplungsfaktor 300
6.5 Wirbelströme 302
6.6 Magnetische Energie und Hystereseverluste 304
6.6.1 Magnetische Energie einer Induktivität 304
6.6.2 Magnetische Energie gekoppelter Spulen 306
6.6.3 Hystereseverluste 308
6.7 Kräfte im magnetischen Feld 310
6.7.1 Kräfte zwischen Polflächen 310
6.7.2 Kräfte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld 313
6.7.3 Kräfte zwischen stromdurchflossenen, parallelen Leitern 317
6.7.4 Kraft auf bewegte freie Ladungsträger 319
7 Lösung der Aufgaben 323
8 Weiterführende Literatur 359
Stichwortverzeichnis 361

"Dieses Buch verfügt über eine sehr gute didaktische und methodische Darstellung und eine ausgezeichnete Stoffauswahl. Es konzentriert sich auf die wesentlichen Schwerpunkte. Die gestellten Aufgaben sind hervorragend zum Selbstverständnis geeignet. Das Buch verfügt über eine Vielzahl von Abbildungen und Beispielen. Es ist sehr gut lesbar und übersichtlich. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Quick, FH Brandenburg