Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik
von: Heinz-Josef Bauckholt
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2019
ISBN: 9783446459052
Sprache: Deutsch
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Format: PDF, auch als Online-Lesen
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 |