Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik

von: Heinz-Josef Bauckholt

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2019

ISBN: 9783446459052

Sprache: Deutsch

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Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik

	Vorwort des Herausgebers	6
	Vorwort zur 8. Auflage	8
	Vorwort zur 7. Auflage	8
	Inhalt	10
	0 Einleitung	20
	1 Elektrische Grundgrößen	21
	1.0 Elektrizität und Elektrotechnik	21
	1.1 Elektrischer Strom	22
	1.1.1 Elektrische Ladung als Ursprung der Elektrizität	22
	1.1.1.1 Das Elektron im Atomaufbau	23
	1.1.1.2 Das Elektron als kleinste elektrische Ladung	24
	1.1.1.3 Das Modell des elektrischen Feldes um eine elektrische Ladung	25
	1.1.2 Stromfluss als gerichtete bewegte Ladung	26
	1.1.2.1 Elektrischer Stromfluss	26
	1.1.2.2 Elektronengeschwindigkeit und Stromgeschwindigkeit	27
	1.1.2.3 Stromdichte	28
	1.1.2.4 Wirkungen des elektrischen Stromes	30
	1.1.3 Stromarten	31
	1.2 Elektrische Spannung	31
	1.2.1 Energieniveau zwischen getrennten Ladungen	32
	1.2.2 Spannungsgewinnung durch Energieumwandlung	34
	1.2.3 Spannungsarten	35
	1.3 Elektrischer Widerstand	36
	1.3.1 Stromleitung in Metallen	36
	1.3.1.1 Aufbau und Gitterstruktur von Metallen	36
	1.3.1.2 Das Bändermodell bei Metallen	37
	1.3.1.3 Vorgang der Stromleitung	38
	1.3.2 Elektrischer Widerstand als Strombegrenzer	38
	1.3.2.1 Spezifischer elektrischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit	39
	1.3.2.2 Bemessungsgleichung des Widerstandes	41
	1.3.2.3 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes	43
	1.3.3 Stromleitung in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen	46
	2 Elektrischer Stromkreis	47
	2.1 Aufbau des technischen Stromkreises	47
	2.2 Strömungsgesetze im elektrischen Stromkreis	48
	2.2.1 Ohm’sches Gesetz	48
	2.2.2 Widerstandsdiagramme	50
	2.2.2.0 Einführung	50
	2.2.2.1 Lineare Widerstände	51
	2.2.2.2 Nichtlineare Widerstände	54
	2.3 Messung von Strom und Spannung	57
	2.3.1 Strommessung	57
	2.3.2 Spannungsmessung	57
	2.4 Aktive und passive Zwei- und Vierpole	58
	2.4.0 Einführung	58
	2.4.1 Zweipole	59
	2.4.1.0 Definitionen	59
	2.4.1.1 Spannungsquelle als aktiver Zweipol	59
	2.4.1.2 Widerstand und andere „Verbraucher“ als passiver Zweipol	59
	2.4.2 Vierpole	60
	2.4.2.0 Definitionen	60
	2.4.2.1 Ausgewählte aktive Vierpole	60
	2.4.2.2 Ausgewählte passive Vierpole	61
	3 Grundschaltungen für Gleichstrom	63
	3.1 Reihenschaltung von Widerständen	63
	3.1.1 Gesamtstrom, Gesamtspannung, Gesamtwiderstand	63
	3.1.2 Verhältnisbildung zwischen Teilspannung und Teilwiderständen –– Spannungsteilung	66
	3.1.3 Der feste bzw. fest eingestellte unbelastete Spannungsteiler	67
	3.1.4 Der stellbare unbelastete Spannungsteiler (Potenziometerschaltung)	68
	3.1.5 Vergleich von Spannungspotenzialen	70
	3.1.6 Grafische Lösung einer Reihenschaltung	72
	3.2 Parallelschaltung von Widerständen	74
	3.2.1 Gesamtspannung, Gesamtstrom, Gesamtwiderstand	74
	3.2.2 Verhältnisbildung zwischen Teilströmen und Widerständen –– Stromteilung	77
	3.2.3 Ersatzwiderstand ¼ Gesamtwiderstand parallel geschalteter Widerstände	79
	3.2.4 Ersatzleitwert	81
	3.2.5 Grafische Lösung einer Parallelschaltung	81
	3.3 Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle	83
	3.3.1 Ersatzspannungsquelle	83
	3.3.1.0 Einführung	83
	3.3.1.1 Schaltung	83
	3.3.1.2 Kennlinie und Kenngrößen	84
	3.3.2 Ersatzstromquelle	88
	3.3.2.0 Einführung	88
	3.3.2.1 Schaltung	88
	3.3.2.2 Kennlinie und Kenngrößen	88
	3.4 Gemischte Schaltungen von Widerständen	90
	3.4.1 Reihenund Parallelschaltungen von Widerständen in einer Schaltung	90
	3.4.2 Belasteter Spannungsteiler	94
	3.4.2.0 Einführung	94
	3.4.2.1 Fester belasteter Spannungsteiler	94
	3.4.2.2 Stellbarer belasteter Spannungsteiler (Potenziometerschaltung)	96
	3.4.3 Brückenschaltung	98
	3.4.3.0 Einführung	98
	3.4.3.1 Die abgeglichene Brückenschaltung	98
	3.4.3.2 Die unabgeglichene Brückenschaltung	100
	3.5 Netzwerke und ihre Berechnungsmethoden	100
	3.5.0 Einführung	100
	3.5.1 Stern-Dreieck-Umwandlung	100
	3.5.2 Maschen- und Knotenpunktgleichungen	108
	3.5.3 Ersatzspannungs- und Ersatzstromquellen –– Umwandlung	111
	3.5.4 Überlagerungssatz	116
	3.5.5 Passive Vierpole aus Widerstandsnetzwerken	123
	3.5.5.0 Einführung	123
	3.5.5.1 Aufstellung von Vierpolgleichungen	124
	3.5.5.2 Definition und Kennzeichnung der Vierpolparameter	127
	3.5.5.3 Ermittlung der Bauelementdaten einer Vierpol-Innenschaltung aus den Daten der Vierpolparameter	130
	3.6 Elektrische Arbeit und Leistung	133
	3.6.1 Elektrische Arbeit	133
	3.6.2 Elektrische Leistung	135
	3.6.2.1 Leistungshyperbel	138
	3.6.2.2 Nutzleistung und Verlustleistung	141
	3.6.2.3 Wirkungsgrad	144
	3.6.2.4 Leistungsanpassung	145
	3.7 Umwandlung elektrischer Energie in andere Energien und umgekehrt	149
	3.7.0 Einführung	150
	3.7.1 Elektrische Energie in mechanische Energie	151
	3.7.2 Elektrische Energie in thermische Energie	152
	3.7.3 Elektrische Energie in optische Energie	153
	3.7.4 Elektrische Energie in chemische Energie	154
	3.7.4.0 Einführung	154
	3.7.4.1 Elektrolyse und Leitungsmechanismus in Flüssigkeiten	154
	3.7.4.2 Elektrochemische Spannungsquellen	158
	3.7.4.2.1 Galvanische Elemente (Primärelemente)	158
	3.7.4.2.2 Akkumulatoren (Sekundärelemente)	162
	4 Das elektrische Feld und der Kondensator	173
	4.0 Einführung	173
	4.1 Erscheinungsform des elektrischen Feldes	173
	4.1.1 Elektrische Felder zwischen elektrischen Ladungen –– elektrostatische Felder	173
	4.1.2 Elektrische Felder in und zwischen stromführenden Leitern	174
	4.1.2.0 Einführung	174
	4.1.2.1 Felder in stromführenden Leitern	174
	4.1.2.2 Felder zwischen Strom führenden Leitern	175
	4.2 Die elektrische Feldstärke als Kenngröße des elektrischen Feldes	176
	4.3 Kräfte im elektrischen Feld und das Coulomb’sche Gesetz	178
	4.4 Spannungspotenziale in elektrischen Feldern	180
	4.4.1 Spannung im elektrischen Feld	180
	4.4.2 Spannung zwischen getrennten Ladungen	181
	4.5 Ladungsspeicherung und Kondensator	182
	4.6 Isolierstoffe im elektrischen Feld	186
	4.6.1 Ladungsverschiebungen in Isolierstoffen oder die elektrische Influenz	186
	4.6.2 Feldkonstante des elektrischen Feldes	187
	4.6.3 Bemessungsgleichung der Kapazität	189
	4.7 Schaltungen von Kondensatoren	191
	4.7.1 Reihenschaltung von Kondensatoren	191
	4.7.2 Parallelschaltung von Kondensatoren	193
	4.7.3 Reihenund Parallelschaltungen von Kondensatoren in einer Schaltung	194
	4.8 Schaltvorgänge am Kondensator	196
	4.8.1 Einschaltoder Ladevorgang am Kondensator	196
	4.8.2 Ausschaltoder Entladevorgang am Kondensator	202
	4.9 Gespeicherte Energie eines geladenen Kondensators und die Energie des elektrischen Feldes	206
	5 Das magnetische Feld	211
	5.1 Erscheinungsformen des magnetischen Feldes	211
	5.1.1 Das magnetische Feld eines Natur- oder Dauermagneten	211
	5.1.2 Das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters	212
	5.1.3 Das magnetische Feld einer stromdurchflossenen Spule oder eines Elektromagneten	213
	5.1.4 Eigenschaften magnetischer Felder	213
	5.2 Kenngrößen des magnetischen Feldes	214
	5.2.1 Magnetfluss oder magnetischer Fluss	214
	5.2.2 Magnetflussdichte oder magnetische Flussdichte	214
	5.2.3 Elektrische Durchflutung	215
	5.2.4 Magnetische Feldstärke	216
	5.2.5 Magnetischer Widerstand und magnetischer Leitwert	218
	5.3 Magnetisierungskennlinien	223
	5.3.1 Die Magnetflussdichte als Funktion der magnetischen Feldstärke	223
	5.3.2 Magnetisierungskennlinie einer Luftspule	223
	5.3.3 Magnetisierungskennlinie einer Spule mit Kern aus ferromagnetischen Werkstoffen	224
	5.3.3.1 Aufbau der Magnetisierungskennlinien ferromagnetischer Werkstoffe	224
	5.3.3.2 Die Magnetisierungskennlinien magnetischer Werkstoffe beim Ummagnetisierungsvorgang oder die magnetische Hysteresis	227
	5.3.3.3 Arten und Aussteuerung von Hystereseschleifen	228
	5.4 Magnetisierungsarbeit und Magnetisierungsverluste	230
	5.4.1 Magnetisierungsarbeit	230
	5.4.2 Magnetisierungsverluste	231
	5.5 Der magnetische Kreis	232
	5.6 Kräfte im Magnetfeld	236
	5.6.1 Kräfte an magnetischen Polen	237
	5.6.2 Kräfte zwischen magnetischen Feldern	240
	5.6.2.1 Magnetflussdichte und Feldstärke des magnetischen Feldes eines stromdurchflossenen Leiters	240
	5.6.2.2 Überlagerung von magnetischen Feldern parallel verlaufender stromdurchflossener Leiter	243
	5.6.2.3 Kräfte zwischen dem magnetischen Feld eines stromdurchflossenen Leiters oder einer Spule und dem magnetischen Feld eines Dauermagneten – Motorprinzip	244
	5.6.2.4 Kräfte zwischen den magnetischen Feldern stromdurchflossener Leiter	247
	5.7 Magnetische Induktion oder Spannungserzeugung durch Veränderung magnetischer Felder	249
	5.7.1 Bewegung eines stromlosen Leiters im konstanten magnetischen Feld –– Generatorprinzip	250
	5.7.2 Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters im konstanten magnetischen Feld –– Generatorprinzip	251
	5.7.3 Induktionsgesetz bei bewegten Leitern und Spulen im konstanten magnetischen Feld	252
	5.7.3.0 Einführung	252
	5.7.3.1 Induktionsgesetz bei geradliniger Bewegung eines Leiters oder einer Spule	252
	5.7.3.2 Induktionsgesetz bei Rotationsbewegung eines Leiters oder einer Spule	255
	5.7.4 Induktionsgesetz bei ruhenden Leitern oder Spulen im zeitlich veränderlichen magnetischen Feld	256
	5.7.4.1 Induktivität, die magnetische Kenngröße einer Spule	258
	5.7.4.2 Energie des Magnetfeldes	261
	5.7.4.3 Reihen- und Parallelschaltung von Induktivitäten	262
	5.7.4.4 Schaltvorgänge an Spulen	263
	5.7.5 Transformatorprinzip	265
	6 Grundschaltungen für Wechselspannungen	272
	6.1 Darstellung und Kenngrößen von Wechselspannungen und Wechselstrom	272
	6.1.0 Einführung	272
	6.1.1 Zeiger- und Liniendiagramme	272
	6.1.2 Kenngrößen von Wechselspannung und Wechselstrom	274
	6.1.3 Zeitliche Betrachtung von Wechselspannungen und Wechselströmen	279
	6.1.4 Überlagerung von Wechselspannungen und die Fourier-Analyse	282
	6.2 Verhalten der idealen Grundschaltelemente an Wechselspannung	286
	6.2.1 Idealer Wirkwiderstand an Wechselspannung	286
	6.2.2 Idealer Kondensator an Wechselspannung	287
	6.2.3 Ideale Spule an Wechselspannung	294
	6.3 Komplexe Rechnung und die Anwendung im Wechselstromkreis	299
	6.3.1 Komplexe Zahlen –– Komplexe Zahlenebene –– Rechenregeln	299
	6.3.2 Elektrische Größen in komplexer Schreibweise	302
	6.4 Reihenschaltungen im Wechselstromkreis	303
	6.4.1 Widerstand und Kondensator	303
	6.4.2 Widerstand und Spule	308
	6.4.3 Kondensator und Spule	311
	6.4.4 Widerstand, Kondensator und Spule	313
	6.5 Parallelschaltungen im Wechselstromkreis	317
	6.5.1 Widerstand und Kondensator	317
	6.5.2 Widerstand und Spule	321
	6.5.3 Kondensator und Spule	324
	6.5.4 Widerstand, Kondensator und Spule	326
	6.6 Gemischte Schaltungen im Wechselstromkreis – Impedanzschaltungen	329
	6.7 Resonanz im Wechselstromkreis	338
	6.7.1 Begriff der Grenzfrequenz	338
	6.7.2 Begriff der Resonanz und der Resonanzfrequenz	341
	6.7.3 Reihenresonanzkreis	342
	6.7.3.0 Einführung	342
	6.7.3.1 Idealer Reihenresonanzkreis	342
	6.7.3.2 Realer Reihenresonanzkreis	344
	6.7.4 Parallelresonanzkreis	346
	6.7.4.0 Einführung	346
	6.7.4.1 Idealer Parallelresonanzkreis	346
	6.7.4.2 Realer Parallelresonanzkreis	347
	6.8 Impedanzschaltungen und das Verhalten bei variablen Frequenzen – Ortskurven	349
	6.8.0 Einführung	349
	6.8.1 Ortskurven von Reihenschaltungen	350
	6.8.2 Ortskurven von Parallelschaltungen	352
	6.8.3 Ortskurve einer gemischten Impedanzschaltung	354
	6.9 Elektrische Arbeit und elektrische Leistung im Wechselstromkreis	358
	6.9.1 Leistung im Wechselstromkreis	358
	6.9.1.0 Einführung	358
	6.9.1.1 Wirkleistung	358
	6.9.1.2 Blindleistung	361
	6.9.1.3 Wirk-, Blind- und Scheinleistung im Wechselstromkreis	362
	6.9.2 Blindleistungskompensation oder Leistungsfaktorverbesserung	368
	6.9.3 Arbeit im Wechselstromkreis	371
	7 Mehrphasenwechselspannung –– Mehrphasenwechselstrom (Drehstrom)	379
	7.1 Erzeugung von Mehrphasenwechselspannung	379
	7.2 Dreiphasenwechselspannung	380
	7.2.1 Spannungserzeuger in Sternschaltung	382
	7.2.2 Spannungserzeuger in Dreieckschaltung	383
	7.2.3 Verbraucher in Sternschaltung	383
	7.2.4 Verbraucher in Dreieckschaltung	386
	7.3 Spannungsnetze – öffentliche Netze	390
	8 Lineare technische Widerstände	398
	8.0 Einleitung	398
	8.1 Bauarten technischer Widerstände	398
	8.1.0 Einführung	398
	8.1.1 Festwiderstände	398
	8.1.1.0 Einführung	398
	8.1.1.1 Schichtwiderstände	399
	8.1.1.2 Drahtwiderstände	400
	8.1.2 Stellbare Widerstände (Potenziometer)	401
	8.1.2.0 Einführung	401
	8.1.2.1 Schichtpotenziometer	401
	8.1.2.2 Drahtpotenziometer	402
	8.2 Daten und Normen technischer Widerstände	403
	8.2.1 Technische Daten	403
	8.2.2 Normung	404
	8.2.2.1 Normung der Widerstandswerte	404
	8.2.2.2 Normung der Kennzeichnung	408
	9 Technische Kondensatoren	410
	9.1 Bauarten technischer Kondensatoren	410
	9.1.0 Einführung	410
	9.1.1 Wickelkondensatoren	410
	9.1.1.0 Einführung	410
	9.1.1.1 MP-Kondensatoren	410
	9.1.1.2 MK-Kondensatoren	411
	9.1.2 Keramikkondensatoren	412
	9.1.3 Elektrolytkondensatoren	412
	9.1.3.0 Einführung	412
	9.1.3.1 Aluminium-Elektrolytkondensatoren	412
	9.1.3.2 Tantal-Elektrolytkondensatoren	413
	9.1.4 Stellbare Kondensatoren (Drehko)	414
	9.2 Daten und Normen technischer Kondensatoren	414
	9.2.1 Technische Daten	414
	9.2.2 Normung	416
	9.2.2.1 Normung der Kapazitätswerte	416
	9.2.2.2 Normung der Kennzeichnung	417
	10 Technische Spulen	420
	10.1 Bauarten technischer Spulen	420
	10.1.0 Einführung	420
	10.1.1 Luftspulen	420
	10.1.2 Spulen mit Kernen aus magnetischem Werkstoff	425
	10.2 Daten technischer Spulen	427
	Lösungen	429
	Literaturverzeichnis	472
	Sachwortverzeichnis	474

Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik

von: Heinz-Josef Bauckholt

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