Einführung in die Elektrotechnik (eBook)

Materialien zum Buch 11
1 Einführung 13
1.1 Was Sie von diesem Buch erwarten können 13
1.2 Wichtige Erfindungen der Elektrotechnik 14
1.3 Physikalische Größen und Grundbegriffe, mathematische Grundlagen 16
1.3.1 Kleiner Ausflug in die Physik 16
1.3.2 Mathematische Grundregeln 26
1.4 Übungen 38
1.5 Lösungen 39
2 Elektrische Ladung und Potenzial 47
2.1 Das Bohrsche Atommodell 47
2.2 Ladung 50
2.3 Energie, Potenzial und Leistung 52
2.3.1 Potenzial 52
2.3.2 Energie 55
2.3.3 Leistung 56
2.3.4 Wirkungsgrad 57
2.4 Elektrische Spannung 57
2.5 Strom 60
2.6 Strom- und Ladungsdichte 64
2.6.1 Stromdichte 64
2.6.2 Ladungsdichte 69
2.7 Ionen- und Massenstrom 70
2.8 Übungsaufgaben 73
2.9 Lösungen 75
3 Elektrostatik 81
3.1 Das elektrische Feld (E-Feld) 81
3.2 Kräfte zwischen Ladungen – die Coulombkraft 88
3.3 Ladungsverteilung 90
3.3.1 Berechnung eines Volumenintegrals in kartesischen Koordinaten 92
3.3.2 Berechnung eines Volumenintegrals in Zylinderkoordinaten 93
3.3.3 Berechnung eines Volumenintegrals in Kugelkoordinaten 97
3.4 Berechnung von E-Feldern 103
3.4.1 Elektrisches Feld einer Punktladung 103
3.4.2 Elektrisches Feld einer Linienladung 107
3.4.3 Elektrisches Feld einer Flächenladung 109
3.4.4 Elektrisches Feld einer Volumenladung 111
3.4.5 Der Gauß’sche Satz 112
3.5 Elektrische Flussdichte und Verschiebungsflussdichte 125
3.6 Potenzielle Energie, Potenziale und Spannung im elektrischen Feld 126
3.6.1 Äquipotenziallinien 130
3.7 Kapazität 132
3.7.1 Influenz und Polarisation 138
3.8 Aufgaben 144
3.9 Lösungen 146
4 Gleichstrom 159
4.1 Strom- und Spannungsquellen 159
4.1.1 Galvanisches Element 159
4.1.2 Spannungsquelle 166
4.1.3 Stromquelle 167
4.2 Widerstand und Leitwert 168
4.2.1 Das Ohm’sche Gesetz 169
4.2.2 Spezifischer Leitwert und spezifischer Widerstand 171
4.2.3 Widerstand eines stabförmigen Leiters 178
4.2.4 Einfluss der Temperatur auf den Widerstand 179
4.3 Allgemeine Form des Ohm’schen Gesetzes 181
4.4 Gleichstrom und Wechselstrom 183
4.5 Berechnung eines einfachen Stromkreises 185
4.6 Reihen- und Parallelschaltung 189
4.6.1 Reihenschaltung 189
4.6.2 Parallelschaltung 193
4.6.3 Kirchhoff’sche Regeln 197
4.6.4 Gemischte Widerstandsschaltungen 201
4.7 Ersatzquellen, reale Strom- und Spannungsquellen 205
4.7.1 Parallel- und Reihenschaltung von Spannungs- bzw. Stromquellen 211
4.7.2 Umwandlung von Spannungsquellen in Stromquellen und umgekehrt 214
4.8 Kondensatoren im Gleichstromkreis 216
4.8.1 Aufladung 217
4.8.2 Entladung 223
4.8.3 Reihenschaltung von Kondensatoren 225
4.8.4 Parallelschaltung von Kondensatoren 226
4.9 Übungen 227
4.10 Lösungen 232
5 Netzwerkberechnungen 241
5.1 Zweipole und die Zweipolmethode 243
5.2 Maschen- und Knotenregel in Netzwerken 247
5.3 Zweigstromverfahren 251
5.4 Maschenstromverfahren 256
5.5 Knotenpotenzialverfahren 260
5.6 Das Superpositionsprinzip 269
5.7 Stern-Dreieck-Umwandlung 274
5.7.1 Dreieck-Stern-Umwandlung 277
5.7.2 Stern-Dreieck-Umwandlung 278
5.8 Unendliche Kettennetzwerke 281
5.9 Übungen 284
5.10 Lösungen 288
6 Magnetische Felder 307
6.1 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters 310
6.2 Magnetisches Feld von Leiterschleifen 313
6.3 Magnetische Grundgrößen 315
6.3.1 Das Vektorprodukt (Kreuzprodukt) 316
6.3.2 Durchflutung 317
6.3.3 Magnetische Feldstärke 318
6.3.4 Magnetischer Fluss, magnetische Flussdichte 327
6.4 Lorentzkraft 334
6.5 Induktivität und Induktion 340
6.5.1 Aufbau einer Spule 340
6.5.2 Induktivität 341
6.5.3 Spule im Gleichstromkreis 342
6.5.4 Induktion 346
6.5.5 Energie im Magnetfeld 356
6.6 Magnetischer Kreis 357
6.7 Maxwell-Gleichungen 359
6.7.1 Stationäre Maxwell-Gleichungen 360
6.7.2 Rotation eines Vektorfeldes 362
6.7.3 Materialbehaftete und nichtstationäre Maxwell-Gleichungen 368
6.8 Übungen 371
6.9 Lösungen 374
7 Wechselstromkreise 383
7.1 Charakteristische Größen einer Wechselspannung 383
7.2 Kondensator im Wechselspannungskreis 387
7.3 Spule im Wechselstromkreis 391
7.4 Zeigerdarstellung von Wechselgrößen 394
7.5 Schwingkreise 401
7.5.1 Parallelschwingkreis 401
7.5.2 Zeigerdiagramm für Parallelschwingkreise 406
7.5.3 Reihenschwingkreis 413
7.5.4 Zeigerdiagramm des Reihenschwingkreises 414
7.5.5 Güte eines Schwingkreises 417
7.6 Rechnen mit komplexen Zahlen 420
7.6.1 Rechenregeln 421
7.7 Übungen 426
7.8 Lösungen 431
8 Filter und Passschaltungen 447
8.1 RC-Reihenschaltung und Parallelschaltung 447
8.1.1 RC-Reihenschaltung 447
8.1.2 RC-Hochpass 456
8.1.3 RC-Tiefpass 459
8.1.4 RC-Parallelschaltung 460
8.2 RL-Reihen- und Parallelschaltung 464
8.2.1 RL-Reihenschaltung 464
8.2.2 RL-Hochpass 470
8.2.3 RL-Tiefpass 472
8.2.4 RL-Parallelschaltung 472
8.3 Allgemeine Eigenschaften von Hoch- und Tiefpassschaltungen 474
8.3.1 Bodediagramme 474
8.3.2 Ortskurven 479
8.3.3 Filter höherer Ordnung 483
8.4 Übungen 485
8.5 Lösungen 488
9 Drehstrom 507
9.1 Erzeugung von Wechselspannungen und Drehstrom 507
9.2 Symmetrisch belastete Drehstromsysteme 512
9.2.1 Dreieckschaltung, symmetrisch belastet 514
9.2.2 Sternschaltung, symmetrisch belastet 522
9.2.3 Allgemeine Eigenschaften von Strömen und Spannungen in Drehstromsystemen 525
9.3 Unsymmetrische Belastung 526
9.3.1 Dreieckschaltung, unsymmetrisch belastet 527
9.3.2 Sternschaltung, unsymmetrisch belastet 529
9.4 Übungen 533
9.5 Lösungen 535
Index 547