Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik (eBook)

Dipl.-Ing. Heinz-Josef Bauckholt; Studiendirektor a. D.Fachschule für Technik der Stadt Köln

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 der Elektrotechnik
1. Elektrische Grundgrößen
2. Elektrischer Stromkreis
3. Grundschaltungen für Gleichstrom
4. Das elektrische Feld und der Kondensator
5. Das magnetische Feld
6. Grundschaltungen für Wechselspannungen
7. Mehrphasenwechselspannung - Mehrphasenwechselstrom (Drehstrom)
Bauelemente der Elektrotechnik - Grundschaltelemente
8. Lineare technische Widerstände
9. Technische Kondensatoren
10. Technische Spulen