Grundlagen der Elektrotechnik

von: Wolfgang Nerreter

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2011

ISBN: 9783446426788

Sprache: Deutsch

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Grundlagen der Elektrotechnik

	Vorwort zur 2., aktualisierten Auflage	8
	Inhaltsverzeichnis	9
	1 Grundbegriffe	14
	1.1 Elektrischer Strom	14
	1.1.1 Ladung	14
	1.1.2 Ladungsträger	15
	1.1.3 Ionisation	16
	1.1.4 Stromkreis	17
	1.1.5 Stromstärke	17
	1.1.6 Stromdichte	19
	1.1.7 Richtungssinn und Bezugssinn	22
	1.1.8 Strommessung	22
	1.2 Elektrische Spannung	23
	1.2.1 Ladungstrennung	23
	1.2.2 Richtungssinn und Bezugssinn	24
	1.2.3 Spannungsmessung	24
	1.3 Leistung und Energie	24
	1.3.1 Erzeuger und Verbraucher	24
	1.3.2 Leistung an einem Eintor	26
	1.3.3 Wirkungsgrad	28
	1.3.4 Elektrowärme	28
	1.4 Elektrischer Widerstand	29
	1.4.1 Der Begriff Widerstand	29
	1.4.2 Das OHMsche Gesetz	30
	1.4.3 Linearer Leiter	31
	1.4.4 Widerstand von Isolierstoffen	32
	1.4.5 Nichtlinearer Widerstand	32
	1.4.6 Temperaturabhängigkeit	33
	1.4.7 Supraleitung	35
	1.5 Quellen	36
	1.5.1 Leerlauf und Kurzschluss	36
	1.5.2 Ideale Quellen	36
	1.5.3 Lineare Quellen	37
	2 Netze an Gleichspannung	40
	2.1 Verbindung von Eintoren	40
	2.1.1 Bestimmung des Arbeitspunktes	40
	2.1.2 Leistungsanpassung	41
	2.2 Knotensatz	42
	2.2.1 Der Begriff Knoten	42
	2.2.2 Knotengleichung	43
	2.2.3 Parallelschaltung von Widerständen	44
	2.3 Maschensatz	46
	2.3.1 Maschengleichung	46
	2.3.2 Potenzial	48
	2.3.3 Reihenschaltung von Widerständen	49
	2.4 Ersatzschaltungen	50
	2.4.1 Ersatzwiderstand	50
	2.4.2 Ersatzquelle	51
	2.5 Überlagerungssatz	54
	2.6 Zweitore	55
	2.6.1 Strombedingung	55
	2.6.2 Zweitorgleichungen	55
	2.6.3 Berechnung der Zweitorparameter	57
	2.6.4 Umwandlung der Zweitorparameter	58
	2.6.5 Zweitorschaltungen	59
	2.6.6 Gesteuerte Quellen	61
	2.6.7 Zweitor-Ersatzschaltung	63
	2.6.8 Symmetrie von Zweitoren	64
	2.7 Schaltungsberechnung	65
	2.7.1 Netzwerkanalyse	65
	2.7.2 Knotenpotenzialverfahren	65
	2.7.3 Netzwerkanalyse mit PSpice	67
	2.7.4 Start mit Schematics	67
	2.7.5 Gleichanalyse	68
	2.7.6 Variation von Bauelementwerten	69
	3 Zeitkonstante Felder	71
	3.1 Elektrisches Strömungsfeld	71
	3.1.1 Homogenes Feld	71
	3.1.2 Inhomogenes Feld	73
	3.2 Elektrostatisches Feld	77
	3.2.1 Homogenes Feld	77
	3.2.2 Influenz	78
	3.2.3 Inhomogenes Feld	79
	3.2.4 Punktladungen	80
	3.2.5 Permittivität	81
	3.2.6 Elektret	83
	3.2.7 Kapazitive Eintore	83
	3.2.8 Kondensatorschaltungen	84
	3.2.9 Kapazität von Leiteranordnungen	86
	3.3 Magnetisches Feld	88
	3.3.1 Feldlinien von Magneten	88
	3.3.2 Magnetische Flussdichte	91
	3.3.3 Durchflutungsgesetz	92
	3.3.4 Das Gesetz von BIOT-SAVART	95
	3.3.5 Materie im Magnetfeld	96
	3.3.6 Magnetische Werkstoffe	99
	3.3.7 Magnetische Kreise	101
	3.3.8 Magnetischer Kreis mit Dauermagnet	104
	3.3.9 Kraft auf eine bewegte Ladung	106
	3.4 Energietransport	108
	4 Zeitabhängige Größen	110
	4.1 Periodische Größen	110
	4.1.1 Periodendauer und Frequenz	110
	4.1.2 Gleichwert und Gleichrichtwert	111
	4.1.3 Wirkleistung und Effektivwert	112
	4.1.4 Verhältniszahlen	114
	4.2 Sinusgrößen	115
	4.2.1 Kreisfrequenz und Phasenwinkel	115
	4.2.2 Kenngrößen	116
	4.2.3 Zeigerdarstellung	118
	4.2.4 Komplexe Symbole	118
	5 Zeitabhängige Felder	120
	5.1 Vorgänge im elektrischen Feld	120
	5.1.1 Der Begriff Grundeintor	120
	5.1.2 Kondensator an Sinusspannung	121
	5.1.3 Energie eines geladenen Kondensators	122
	5.1.4 Elektrische Energiedichte	123
	5.1.5 Kräfte auf Kondensatorplatten	124
	5.1.6 Polarisationsverluste	125
	5.1.7 Piezoelektrischer Effekt	126
	5.2 Vorgänge im magnetischen Feld	128
	5.2.1 Induktionsgesetz	128
	5.2.2 Induktion bei Drehbewegung	131
	5.2.3 Ruheinduktion	132
	5.2.4 Selbstinduktion	132
	5.2.5 Induktivität von Leiteranordnungen	135
	5.2.6 Gegenseitige Induktion	136
	5.2.7 Idealer Übertrager	138
	5.2.8 Energie im Magnetfeld	139
	5.2.9 Verluste im Magnetfeld	141
	5.2.10 Kraft auf Magnetpole	144
	5.3 Elektromagnetisches Feld	146
	5.3.1 MAXWELL sche Gleichungen	146
	5.3.2 Induzierte Feldstärke	147
	6 Netze an Sinusspannung	148
	6.1 Grundeintore an Sinusspannung	148
	6.1.1 Komplexer Widerstand	148
	6.1.2 Grundeintor R	149
	6.1.3 Grundeintor L	151
	6.1.4 Grundeintor C	153
	6.2 Verbindung von Grundeintoren	157
	6.2.1 Reihenschaltung von R und L	157
	6.2.2 Parallelschaltung von R und C	160
	6.2.3 Reihenresonanz	162
	6.2.4 Parallelresonanz	165
	6.3 Lineare Netze	167
	6.3.1 Ersatzeintor	167
	6.3.2 Ersatzschaltung	168
	6.3.3 Berechnungsverfahren	169
	6.3.4 Resonanz	171
	6.4 Netze mit Quellen	173
	6.4.1 Belastung idealer Sinusquellen	173
	6.4.2 Ersatzquellen	174
	6.4.3 Kompensation	176
	6.5 Netze mit linearen Zweitoren	178
	6.5.1 Nachrichten-Übertragungssystem	178
	6.5.2 Ersatzwiderstände	180
	6.5.3 Anpassung	181
	6.5.4 Frequenzgang	182
	6.6 Ortskurven	186
	6.6.1 Verbindung von Grundeintoren	186
	6.6.2 Inversion	187
	6.6.3 Normierung	188
	6.7 Sinusanalyse	190
	7 Drehstrom	193
	7.1 Ströme und Spannungen	193
	7.1.1 Symmetrische Größen	193
	7.1.2 Drehstromerzeuger	194
	7.1.3 Spannungssysteme	195
	7.2 Symmetrische Belastung	197
	7.2.1 Sternschaltung	197
	7.2.2 Dreieckschaltung	199
	7.2.3 Zeitabhängigkeit der Leistung	201
	7.2.4 Drehfeld	202
	7.2.5 Kompensation	204
	7.3 Unsymmetrische Belastung	206
	7.3.1 Sternschaltung am Vierleiternetz	206
	7.3.2 Dreieckschaltung	207
	7.3.3 Sternschaltung am Dreileiternetz	207
	7.4 Symmetrische Komponenten	210
	7.4.1 Geschlossenes Zeigerdreieck	211
	7.4.2 Beliebige Lage der Zeiger	213
	8 Schaltvorgänge	215
	8.1 Lineare Netze	215
	8.1.1 Übergangsvorgang	215
	8.1.2 Schalterarten	215
	8.1.3 Netz mit einem Grundeintor C	216
	8.1.4 Netz mit einer Spule	220
	8.1.5 Netz mit einem Schwingkreis	222
	8.2 Transientanalyse	227
	8.2.1 BDF-Verfahren	227
	8.2.2 Durchführung der Analyse	228
	9 Nichtsinusförmige Größen	232
	9.1 Synthese periodischer Größen	232
	9.1.1 Zeitabhängige Größen	232
	9.1.2 FOURIER-Reihe	232
	9.2 Harmonische Analyse	233
	9.2.1 Berechnung der FOURIER-Koeffizienten	233
	9.2.2 Analyse mit PSpice	236
	9.3 Eigenschaften periodischer Größen	238
	9.3.1 Wirkleistung	238
	9.3.2 Effektivwert	240
	9.3.3 Leistungsgrößen	240
	9.3.4 Verzerrungsleistung	241
	9.3.5 Klirrfaktor	242
	9.4 Nichtperiodische Größen	243
	9.4.1 Komplexe FOURIER-Reihe	243
	9.4.2 FOURIER-Transformation	244
	9.4.3 Eigenschaften der FOURIER-Transformation	246
	10 Leitungen	247
	10.1 Wellenausbreitung auf Leitungen	247
	10.1.1 Leitungsarten	247
	10.1.2 Leitungsparameter	247
	10.1.3 Leitungsgleichungen	248
	10.1.4 Verlustlose Leitung	249
	10.1.5 Reflexion	250
	10.1.6 Reflexionsfaktor	252
	10.1.7 Verlustbehaftete Leitung	253
	10.2 Leitung an Sinusspannung	254
	10.2.1 Wellengleichung	254
	10.2.2 Phasengeschwindigkeit	255
	10.2.3 Ströme und Spannungen	257
	10.2.4 Leitung als Zweitor	258
	10.2.5 Natürliche Leistung	259
	10.2.6 Verlustlose Leitung	260
	11 Bauelemente	262
	11.1 Erwärmung und Kühlung	262
	11.1.1 Leistungsbilanz	262
	11.1.2 Thermische Ersatzschaltung	263
	11.1.3 Maximal zulässige Verlustleistung	265
	11.1.4 Thermische Stabilität	267
	11.2 Widerstände	271
	11.2.1 Konstante Widerstände	271
	11.2.2 Einstellbare Widerstände	272
	11.2.3 Temperaturabhängige Widerstände	274
	11.2.4 Spannungsabhängige Widerstände	275
	11.3 Kondensatoren	276
	11.3.1 Wickelkondensator	276
	11.3.2 Verlustfaktor	276
	11.3.3 Kondensatoren mit konstanter Kapazität	277
	11.3.4 Spannungsabhängige Kapazität	278
	11.4 Spulen	279
	11.5 Dioden	280
	11.5.1 Eigenschaften einer Halbleiterdiode	280
	11.5.2 Das Halbleiter-Grundmaterial Silizium	281
	11.5.3 Dotierung	283
	11.5.4 pn-Übergang	283
	11.5.5 pn-Diode	284
	11.5.6 Solarzelle	285
	11.5.7 Z-Diode	286
	11.5.8 SCHOTTKY-Diode	287
	11.6 Transistoren	287
	11.6.1 Feldeffekttransistor	287
	11.6.2 Bipolartransistor	290
	12 Analoge Schaltungen	292
	12.1 Stabilisierungsschaltungen	292
	12.1.1 Spannungsstabilisierung	292
	12.1.2 Stromstabilisierung	293
	12.2 Rückkopplung	294
	12.2.1 Mit- und Gegenkopplung	295
	12.2.2 Rückkopplungsschaltungen	300
	12.2.3 MILLER- und Bootstrap-Effekt	301
	12.2.4 Über-alles-Gegenkopplung	303
	12.3 Stabilität	304
	12.3.1 Stabilisierung und Stabilität	304
	12.3.2 Übertragungsfunktion	304
	12.3.3 Grundlegendes Stabilitätskriterium	306
	12.3.4 NYQUIST-Kriterium	307
	12.3.5 Stabilität von Verstärkern	309
	12.4 Transistorverstärker	312
	12.4.1 Schaltungsarten	312
	12.4.2 Einstellung der Arbeitspunkte	312
	12.4.3 Thermische Stabilität	314
	12.4.4 Emitter- bzw. Sourceschaltung	316
	12.4.5 Kollektor- bzw. Drainschaltung	318
	12.4.6 Basis- bzw. Gateschaltung	319
	12.5 Operationsverstärker	320
	12.6 Operationsverstärker-Schaltungen	323
	12.6.1 Invertierender Verstärker	323
	12.6.2 Nicht invertierender Verstärker	325
	12.6.3 Addierer	326
	12.6.4 Subtrahierer	327
	12.6.5 Integrierer	328
	12.6.6 Betragsbildung	329
	12.6.7 Aktive Filter	331
	13 Elektrochemie	332
	13.1 Elektrischer Strom in Flüssigkeiten	332
	13.1.1 Chemische Wirkung des Stromes	332
	13.1.2 Dissoziation	333
	13.1.3 Elektrolyse	333
	13.2 FARADAYsche Gesetze	334
	13.3 Elektrochemische Spannungsreihe	335
	13.3.1 Reduktion und Oxidation	335
	13.3.2 DANIELL-Element	335
	13.3.3 Standard-Wasserstoffelektrode	337
	13.4 Batterien	337
	13.5 Akkumulatoren	339
	13.5.1 Bleiakkumulator	339
	13.5.2 Nickel-Cadmium-Akkumulator	342
	13.5.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator	342
	13.5.4 Lithium-Ionen-Akkumulator	343
	13.6 Brennstoffzellen	343
	13.7 Elektrolytische Korrosion	344
	14 Ströme in Nichtleitern	346
	14.1 Stromleitung im Vakuum	346
	14.2 Stromleitung in Gasen	348
	14.2.1 Ladungsträger in Gasen	348
	14.2.2 Elektrische Erscheinungen in Luft	348
	14.2.3 Dunkelentladung	349
	14.2.4 Stoßionisation	349
	14.2.5 Durchschlag im homogenen Feld	351
	14.2.6 Sichtbare Gasentladungen	353
	14.2.7 Anwendungen des Lichtbogens	354
	Lösungen der Aufgaben	356
	Anhang	366
	A 1 Winkelfunktionen	366
	A 1.1 Funktionen desselben Winkels	366
	A 1.2 Funktionen zweier Winkel	366
	A 1.3 Vielfache eines Winkels	366
	A 1.4 Teile eines Winkels	366
	A 1.5 Potenzen von Winkelfunktionen	366
	A 2 SI-Einheiten	367
	A 3 Rechenoperationen mit Matrizen	369
	A 4 Komplexe Rechnung	370
	A 5 Wichtige Konstanten	371
	M1 Berechnungen mit MATLAB	371
	M2 MATLAB-Einführung	371
	M2.1 Reelle Zahlen	371
	M2.2 Ein- und Ausgabe	372
	M2.3 Komplexe Zahlen	372
	M2.4 Matrizen	372
	M2.5 Kontrollstrukturen	373
	M2.6 Symbolische Rechnung	373
	M2.7 Programmierung	374
	M3 Konforme Abbildung	374
	Literaturverzeichnis	377
	Sachwortverzeichnis	379
	Bildquellen	387

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