Elektrotechnik für Ingenieure-Grundlagen - Auflage: 2020 (PDF)

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Beschreibung:

Verlag: Carl Hanser GmbH + Co
Autoren:  Rainer Ose
Seitenzahl: 717
Erscheinungstermin: August 2020
Sprache: Deutsch
Größe: 14 Mb

Inhaltsverzeichnis:

I Gleichstromlehre
1 Elektrische Grundgrößen ............................................................................... 12
1.1 Elektrische Ladung ........................................................................................... 12
1.2 Elektrische Stromstärke .................................................................................... 13
1.3 Elektrische Spannung ....................................................................................... 16
1.4 Elektrischer Gleichstromkreis ................………….......................................... 17
1.5 Widerstände im elektrischen Stromkreis .......................................................... 20
1.5.1 Bemessungsgleichung ...................................................................................... 20
1.5.2 Temperaturabhängigkeit ................................................................................... 21
1.5.3 Technische Ausführungsformen ....................................................................... 22
2 Gesetze zur Berechnung elektrischer Stromkreise ...................................... 23
2.1 Das OHMsche Gesetz ........................................................................................ 23
2.2 Die KIRCHHOFFschen Sätze .............................................................................. 26
2.2.1 Maschensatz ..................................................................................................... 26
2.2.2 Knotenpunktsatz ............................................................................................... 27
2.3 Energiesatz ....................................................................................................... 28
3 Lineare elektrische Gleichstromkreise ......................................................... 31
3.1 Eigenschaften elektrischer Stromkreise ............................................................ 31
3.2 Regeln zur Berechnung passiver Zweipole ...................................................... 33
3.2.1 Reihenschaltung und Spannungsteilerregel ...................................................... 33
3.2.2 Parallelschaltung und Stromteilerregel ............................................................. 35
3.3 Berechnung passiver Zweipole ......................................................................... 38
3.4 Elektrische Quellen ........................................................................................... 40
3.5 Lastfälle im Grundstromkreis ........................................................................... 44
3.5.1 Leistung und Wirkungsgrad ............................................................................. 44
3.5.2 Anpassungsfall ................................................................................................. 45
3.5.3 Diskussion von Lastfällen ................................................................................ 47
3.5.4 Belasteter Spannungsteiler ............................................................................... 49
4 Grundschaltungen der elektrischen Messtechnik ....................................... 52
4.1 Messbereichserweiterung .................................................................................. 52
4.2 Aufnahme von Kennlinien ................................................................................. 54
4.2.1 Stromrichtige Messung ..................................................................................... 54
4.2.2 Spannungsrichtige Messung ............................................................................. 55
4.3 Messgeräte mit Nullindikator ........................................................................... 56
4.4 Allgemeine Berechnung von Brückenschaltungen ............................................ 59
4.4.1 Allgemeine Umrechnung in eine Sternschaltung .............................................. 59
4.4.2 Dreieck-Stern-Transformation .......................................................................... 61
4.4.3 Stern-Dreieck-Transformation .......................................................................... 63
5 Verfahren zur Berechnung linearer Netzwerke ......................……............. 65
5.1 Netzwerkberechnung nach KIRCHHOFF ............................................................ 65
5.2 Der HELMHOLTZsche Überlagerungssatz .......................................................... 68
5.3 Zweipoltheorie .................................................................................................. 70
5.3.1 Spannungsquellen-Ersatzschaltung ................................................................... 71
5.3.2 Stromquellen-Ersatzschaltung .......................................................................... 73
5.4 Analyseverfahren .............................................................................................. 76
5.4.1 Umlaufanalyse ................................................................................................... 76
5.4.2 Knotenanalyse ................................................................................................... 80
6 Stromkreise mit nichtlinearen Bauelementen ............................................... 84
6.1 Strom-Spannungs-Kennlinie ............................................................................. 84
6.2 Ausgewählte Kennlinien nichtlinearer Bauelemente ........................................ 85
6.3 Konstruktion von Ersatz-Kennlinien ................................................................. 89
6.3.1 Ersatz-Kennlinien von Elementarschaltungen .................................................. 89
6.3.2 Idealisierte Kennlinien und Ersatzschaltungen ................................................. 90
6.4 Grafische Bestimmung des Arbeitspunktes ................…................................... 91
II Wechselstromtechnik
7 Beschreibung von Wechselgrößen .........................................………............ 94
7.1 Periodische Zeitfunktionen ............................................................................... 94
7.2 Sinusförmige Zeitfunktionen ............................................................................ 95
7.3 Mittelwerte periodischer Zeitfunktionen .......................................................... 97
7.3.1 Arithmetischer Mittelwert ................................................................................ 97
7.3.2 Gleichrichtwert ................................................................................................. 97
7.3.3 Effektivwert ...................................................................................................... 99
7.4 Überlagerung sinusförmiger Zeitfunktionen ..................................................... 101
8 Widerstände im Wechselstromkreis .............................................................. 106
8.1 Elementare Zweipole ......................................................................................... 106
8.1.1 Ohmscher Widerstand ....................................................................................... 106
8.1.2 Induktiver Blindwiderstand .............................................................................. 107
8.1.3 Kapazitiver Blindwiderstand ............................................................................ 109
8.2 Reale Bauelemente ........................................................................................... 110
8.2.1 Reale Spule ....................................................................................................... 110
8.2.2 Realer Kondensator .......................................................................................... 112
8.3 Elementarschaltungen ...................……............................................................ 113
8.4 Zeigerbilder ...................…………................................................................... 115
8.4.1 Gemischte RLC-Kombinationen ...............................…................................... 115
8.4.2 Brückenschaltungen ......................................................................................... 118
9 Berechnung von Stromkreisen bei sinusförmiger Einspeisung .……….... 120
9.1 Berechnung im Zeitbereich ..................................................................…........ 120
9.2 Berechnung im Bildbereich ...............................................................….......... 122
9.2.1 Zeigerdarstellung ............................................................................................. 122
9.2.2 Rechenregeln ..............……............................................................................. 123
9.2.3 Transformationsregeln ..............................................................................…... 126
9.2.4 Komplexer Widerstand .................................................................................... 128
9.2.5 Komplexer Leitwert ..........................................................…........................... 130
9.3 Gemischte Schaltungen im Wechselstromkreis ............................................... 131
9.3.1 Rechnerische Lösung im Bildbereich .............................................................. 131
9.3.2 Grafische Lösung im Bildbereich ..........................................................…...... 135
9.3.3 Variation von Betriebsparametern .........................................................…...... 137
9.4 Spezielle Wechselstromschaltungen ................................................................ 141
9.5 Wechselstrom-Brücken ........……..............….................................................. 143
9.5.1 Induktivitätsmessbrücke ............….................................................................. 145
9.5.2 Kapazitätsmessbrücke ......................................................................…............ 146
9.5.3 Phasendrehbrücke .........................................…............................................... 147
9.6 Verfahren zur Netzwerkberechnung ........……................................................. 149
9.6.1 Überlagerungsverfahren .............….................................................................. 149
9.6.2 Zweipoltheorie .................................................................................…............ 151
9.6.3 Analyseverfahren ..........................................…............................................... 153
10 Frequenzabhängigkeit der Wechselstromkreise ......................................... 156
10.1 Komplexer Frequenzgang ............………........................................................ 156
10.2 Tief- und Hochpässe ........................................................................................ 157
10.3 Schwingkreise ..................................................………………........................ 162
10.4 Übertragungsvierpole ....................................................................................... 174
11 Leistungsbetrachtungen im Wechselstromkreis ......................................... 179
11.1 Zeitfunktion der Leistung ................................................................................ 179
11.2 Wirk-, Blind- und Scheinleistung .................................................................... 181
11.3 Komplexe Leistung .......................................................................................... 182
11.4 Leistungsfaktor und seine Verbesserung ......................................................... 184
12 Dreiphasensysteme ........................................................................................ 188
12.1 Symmetrischer Drehstromgenerator ................................................................ 188
12.2 Spannungen und Ströme .................................................................................. 189
12.3 Belastungsarten ................................................................................................ 193
12.4 Leistung im Dreiphasensystem ........................................................................ 197
III Elektrische und magnetische Felder
13 Feldbegriff ....................................................................................................... 202
13.1 Begriffsbestimmung ......................................................................................... 202
13.1.1 Begriff „Feldpunkt“ ............................................................……...................... 202
13.1.2 Begriff „Rechtssystem“ .................................................................................... 203
13.2 Einteilung der Felder ........................................................................................ 204
13.3 Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder ..........……...................... 206
14 Stationäres elektrisches Strömungsfeld ........................................................ 209
14.1 Eigenschaften des elektrischen Strömungsfeldes ............................................. 209
14.2 Beschreibung des stationären elektrischen Strömungsfeldes ........................... 214
14.2.1 Integrale Größen ............................................................................................... 214
14.2.2 Ortsbezogene Größen ....................................................................................... 214
14.2.3 Maschen- und Knotenpunktsatz im Strömungsfeld .......................................... 219
14.2.4 Überlagerung elektrischer Strömungsfelder ...........…...................................... 222
14.3 Berechnung elektrischer Strömungsfelder ........................................................ 222
14.3.1 Homogene und einfache inhomogene Strömungsfelder ....…........................... 222
14.3.2 Radialsymmetrische Strömungsfelder ........…...……………........................... 224
14.4 Erderanordnungen ............................................................................................ 229
14.4.1 Halbkugelerder ....…......................................................................................... 229
14.4.2 Vollkugelerder ........…...……………………………………........................... 233
15 Elektrostatisches Feld ..................................................................................... 238
15.1 Eigenschaften des elektrostatischen Feldes ...................................................... 238
15.2 Erscheinungsformen der Ladung ...................................................................... 239
15.3 Beschreibung des elektrostatischen Feldes ...................................................... 241
15.3.1 Integrale Größen ....................................................…....................................... 241
15.3.2 Ortsbezogene Größen ...........................................…........................................ 243
15.4 Berechnung elektrostatischer Felder ................................................................. 245
15.4.1 Homogene und einfache inhomogene elektrostatische Felder .......................... 245
15.4.2 Elektrostatische Felder im geschichteten Dielektrikum ........…........................ 246
15.4.3 Radialsymmetrische elektrostatische Felder ........……………......................... 249
15.4.4 Überlagerung elektrostatischer Felder .............................................................. 252
15.5 Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld ................................................... 255
15.5.1 Elektrostatisches Feld als Energiespeicher ....................................................... 255
15.5.2 COULOMBsches Gesetz ..................................................................................... 256
15.5.3 Kraft auf Trennflächen ..................................................................................... 257
15.5.4 Influenz und Polarisation ................................................................................... 260
16 Elektrisches Verhalten des Kondensators .................................................... 262
16.1 Regeln zur Berechnung von Kondensatorschaltungen ...................................... 262
16.1.1 Reihenschaltung und kapazitiver Spannungsteiler ............................................ 262
16.1.2 Parallelschaltung und Ladungsteiler ................................................................. 265
16.1.3 Gemischte Kondensatorschaltungen ................................................................. 268
16.2 Schaltvorgänge in RC-Kombinationen ............................................................. 269
16.2.1 Ladevorgang ..................................................................................................... 269
16.2.2 Entladevorgang ................................................................................................. 271
16.2.3 Umschalten vorgeladener Kondensatoren ........................................................ 273
16.3 Ladungsausgleich ........................................................…................................. 276
16.3.1 Ladungsbilanz ................................................................................................... 276
16.3.2 Ladungsausgleich in einer Reihenersatzschaltung ............................................ 277
16.3.3 Ladungsausgleich in einer Parallelersatzschaltung ........................................... 282
16.3.4 Kapazitive Netzwerke ....................................................................................... 283
17 Stationäres magnetisches Feld ...................................................................... 286
17.1 Eigenschaften des magnetischen Feldes .......................................................... 286
17.2 Beschreibung des magnetischen Feldes ........................................................... 288
17.2.1 Integrale Größen .............................................................................................. 288
17.2.2 Ortsbezogene Größen ...................................................................................... 290
17.3 Magnetische Kreise ......................................................................................... 292
17.3.1 Magnetisierungskennlinie ...............…………………..................................... 292
17.3.2 Ersatzschaltungen für magnetische Kreise ...................................................... 295
17.3.3 Berechnung magnetischer Kreise .................................................................... 297
17.4 Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter ....................……….............. 301
17.5 Energie und Kräfte im magnetischen Feld ....................................................... 305
17.5.1 Magnetische Energie ........................................................................................ 305
17.5.2 LORENTZ-Kraft ................................................................................................ 308
17.5.3 Energiedichte und Induktivität einer Leitung ................................................... 311
18 Zeitlich veränderliches magnetisches Feld ................................................... 314
18.1 Elektromagnetische Induktion .......................................................................... 314
18.1.1 Induktionsgesetz – Bewegungsinduktion ...............................…….................. 315
18.1.2 Induktionsgesetz – Ruheinduktion .........................................…….................. 319
18.2 Selbstinduktion und Induktivität ...................................................................... 321
18.3 Gegeninduktion und Gegeninduktivität ........................................................... 322
18.4 Transformatorgleichungen ...........................…................................................ 328
19 Elektrisches Verhalten der Spule .........................……................................ 331
19.1 Zusammenschaltung von Induktivitäten .......................................................... 331
19.1.1 Unverkoppelte Induktivitäten .................…..................................................... 331
19.1.2 Verkoppelte Induktivitäten ...........………....................................................... 332
19.1.3 Transformator-Ersatzschaltungen ..........…….................................................. 333
19.2 Schaltvorgänge an Spulen ................................................................................ 336
19.2.1 Einschaltvorgang ............................................................................................. 336
19.2.2 Ausschaltvorgang .............................................................…............................ 338
19.2.3 Umschalten vormagnetisierter Spulen .............................................................. 340
19.3 Modelle zum Transformator ............................................................................. 343
19.3.1 Idealer Transformator ....................................................................................... 343
19.3.2 Verlustloser und streuungsfreier Transformator .............................................. 345
19.3.3 Realer Transformator .....................................................................….............. 347
20 Wechselwirkungen .......................................................................................... 350
20.1 Ladungsbewegungen in leitfähigen und nichtleitfähigen Medien ...................... 350
20.1.1 Konvektionsstrom .............................................................................................. 350
20.1.2 Feldstrom ........................................................................................................... 351
20.1.3 Diffusionsstrom .................................................................................................. 352
20.1.4 Verschiebungsstrom ........................................................................................... 354
20.2 MAXWELLsche Gleichungen ............................................................….............. 356
20.2.1 Durchflutungsgesetz ........................................................................….............. 356
20.2.2 Induktionsgesetz ..............................................................................….............. 357
20.2.3 Wirbelfreies Quellenfeld .................................................................….............. 358
20.3 Grundlegende Zusammenhänge ......................................................….............. 359
Übungsaufgaben ........................................................................................................... 360
Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 383
Sachwortverzeichnis ..................................................................................................... 384
Formelzeichenverzeichnis

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