Elektrotechnik für Dummies. Das Lehrbuch E-Book

Michael Felleisen

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 1031

Beschreibung

Elektrotechnik ohne Schnick, nur mit (ein wenig) Schnack

Michael Felleisen erläutert in diesem Buch, was Sie über Stromkreise und Widerstände, elektrische Felder und Kondensatoren wissen müssen. Weiter erklärt er Ihnen, was es mit der Wechselstromtechnik, magnetischen Feldern und Spulen auf sich hat. Auch nicht zu kurz kommen Frequenzgang, Ortskurve, Filterschaltungen und Dreiphasen-Wechselstromsysteme. Mit Übungsaufgaben und ausführlichen Lösungen können Sie Ihr Wissen überprüfen und festigen. So ist dieses Buch eine umfangreiche Einführung in die Elektrotechnik und Ihr freundlicher Begleiter durch das Studium.

Sie erfahren

• Wie Ladung, Strom und Spannung zusammenhängen
• Wie Sie Gleichstromkreise zeichnen und wie diese wirken
• Was es mit Flussdichte und Dielektrizitätskonstante auf sich hat
• Was es über Wechselstromkreise zu wissen gibt

Leseprobe

Elektrotechnik für Dummies. Das Lehrbuch

Schummelseite

LADUNG UND STROM IN METALLISCHEN LEITERN

Coulomb'sche Kraft:

Ladung:

Stromstärke:

(zeitabhängige Ladung)

Stromdichte:

(homogene Stromdichte)

SPANNUNG, POTENZIAL, SPEZIFISCHER UND TEMPERATURABHÄNGIGER WIDERSTAND, LEITWERT

Spannung und Potenzial:

Leiterwiderstand, spezifisch:

Widerstand, temperaturabhängig:

,

mit

Leitwert:

, mit

OHM'SCHES GESETZ, ARBEIT UND LEISTUNG

Ohm'sches Gesetz:

Arbeit:

Leistung:

P

Wirkungsgrad:

QUELLENSPANNUNG, KLEMMENSPANNUNG UND INNERER WIDERSTAND

Spannung und Strom:

Kurzschlussfall (RV = 0):

Leerlauffall (RV → ∞):

Leistungsanpassung:

REIHEN- UND PARALLELSCHALTUNG VON WIDERSTÄNDEN

Reihenschaltung:

Parallelschaltung:

GESETZE VON KIRCHHOFF

Knotenregel:

Maschenregel:

oder

Spannungsteiler, unbelastet:

Spannungsteiler, belastet:

ELEKTRISCHES FELD UND KONDENSATOR

Kapazität:

des Plattenkondensators:

des Kugelkondensators:

des Zylinderkondensators:

Parallelschaltung:

Reihenschaltung

bei zwei Kondensatoren

ELEKTRISCHES FELD

Kraft im elektrischen Feld:

zwischen zwei Punktladungen:

, mit

elektrische Ladung:

elektrische Feldstärke:

im homogenen Feld:

einer geladenen Kugel:

eines Leiters der Länge l:

Dielektrizitätskonstante:

im Vakuum:

Elektrische Spannung:

im homogenen Feld:

zwischen zwei Punkten:

elektrischer Fluss:

Gauß'scher Satz:

elektrische Flussdichte im homogenen Feld:

ENERGIE UND AUFLADEVERHALTEN DES KONDENSATORS

Energie des Kondensators:

Kondensatoraufladung:

mit

Kondensatorentladung:

gespeicherte Energie:

Energiedichte:

MAGNETISCHES FELD UND SPULE

magnetische Feldstärke:

magnetische Durchflutung:

Feldstärke um Einzeldraht:

magnetischer Fluss:

, wenn

magnetische Flussdichte:

Permeabilität:

im Vakuum:

Durchflutungsgesetz:

magnetische Feldstärke:

außerhalb eines Leiters:

innerhalb eines Leiters:

Ohm'sches Gesetz des Magnetismus

der magnetische Widerstand:

der magnetische Leitwert:

magnetischer Widerstand:

magnetischer Leitwert:

Kraft im magnetischen Feld:

Kraft zwischen zwei Leitern:

Lorentz'sche Kraft:

, falls auf senkrecht

INDUKTION, SELBSTINDUKTION UND DIE ENERGIE DER SPULE

Induktionsgesetz, allgemein:

, falls auf senkrecht

Induktionsgesetz, falls B konstant und :

in einer Spule:

Spule mit konstanter Fläche A:

Spule in konstantem B-Feld:

Selbstinduktion:

Induktivität:

magnetischer Leitwert:

Energie der Spule:

GLEICHSTROMMOTOR

Ankerkreisgleichungen

elektrische Seite:

mechanische Seite:

Leistung

elektrische Seite:

mechanische Seite:

Wirkungsgrad:

Antriebsmoment:

KOMPLEXE ZAHLEN

Normalform:

Betrag:

Realteil:

Imaginärteil:

Winkel:

imaginäre Einheit:

,

trigonometrische Form:

Exponentialform:

KENNWERTE SINUSFÖRMIGER WECHSELGRÖßEN

Wechselspannung:

phasenverschoben um Nullphasenwinkel

Periodendauer:

Frequenz:

Kreisfrequenz:

Phasenverschiebungswinkel:

am Ohm'schen Widerstand:

, Strom und Spannung in Phase

an der Spule:

, Induktivität: Strom zu spät!

am Kondensator:

, Kondensator: Strom vor!

Effektivwert:

Scheitelwert (Amplitude):

ERSATZZWEIPOLE

Ersatz für Parallelschaltung:

,

Ersatz für Reihenschaltung:

,

WIDERSTAND, SPULE UND KONDENSATOR KOMPLEX

komplexer Widerstand:

Wirkwiderstand:

Blindwiderstand:

Scheinwiderstand:

(Impedanz)

Phase zum Widerstand:

komplexer Leitwert:

Wirkleitwert:

Blindleitwert:

Scheinleitwert:

(Admittanz)

Phase zum Leitwert:

OHM’SCHES GESETZ FÜR VERSCHIEDENE WIDERSTÄNDE

Ohm'sches Gesetz:

rein Ohm‘scher (Wirk-)Widerstand/Leitwert:

induktiver (Blind-)Widerstand/Leitwert:

kapazitiver (Blind-)Widerstand/Leitwert:

Leistung am induktiven Blindwiderstand:

;

Leistung am kapazitiven Blindwiderstand:

;

SCHALTUNGEN IN DER WECHSELSTROMTECHNIK

Reihenschaltung von R und L:

Reihenschaltung von R und C:

Reihenschaltung von R, L und C:

Reihenresonanz:

,

Spannungsteiler:

,

Parallelschaltung von R und L:

Parallelschaltung von R und C:

Parallelschaltung von R, L und C:

Parallelresonanz: ,

Stromteiler:

,

LEISTUNG IM WECHSELSTROMKREIS

Wirkleistung:

Blindleistung:

induktive Blindleistung:

kapazitive Blindleistung:

Scheinleistung:

Leistungsfaktor:

komplexe Leistung:

Blindleistungskompensation:

Kapazität für Parallelkompensation:

GRAFISCHE DARSTELLUNGEN DER FREQUENZABHÄNGIGKEIT

Frequenzgang:

Amplitudengang (Betrag):

Phasengang (Winkel):

Amplitudengang in dB:

normierte Frequenz:

FILTERSCHALTUNGEN UND RESONANZKREISE

RC-und RL-Tiefpassschaltungen

Frequenzgang RC-Tiefpass:

Betrag:

Phase:

Grenzfrequenz:

,

RC-und RL-Hochpassschaltungen

Frequenzgang RC-Hochpass:

Betrag:

Phase:

Grenzfrequenz:

,

Bandpassschaltung

Frequenzgang Bandpass:

Betrag:

Phase:

Bandbreite:

Spannungsresonanz-Reihenresonanzkreis

Resonanzbedingung:

beziehungsweise

Widerstand:

Phase:

Bandbreite:

Resonanzfrequenz:

Gütefaktor:

Dämpfungsfaktor:

Stromresonanz-Parallelresonanzkreis

Resonanzbedingung:

Bandbreite:

Resonanzfrequenz:

Gütefaktor:

DREIPHASEN-WECHSELSTROM (DREHSTROM)

symmetrische Belastung:

Sternschaltung mit Neutralleiter

Außenleiter- und Strangspannung:

Außenleiterströme:

Strom im Neutralleiter (sym. Last):

Sternschaltung ohne Neutralleiter

Sternspannung unsym. Last:

Dreieckschaltung

Außenleiter- und Strangspannung:

Außenleiter- und Strangströme:

Leistung bei Drehstrom

Scheinleistung:

Wirkleistung:

Blindleistung:

MAXWELL-GLEICHUNGEN

Maxwell-Gleichungen in Integralform

Gauß'sches Gesetz für elektrische Felder:

Gauß'sches Gesetz für Magnetfelder:

Faraday'sches Induktionsgesetz:

Ampère'sches Durchflutungsgesetz:

elektrische Flussdichte:

magnetische Flussdichte:

elektr. Leitungsstromdichte:

Maxwell-Gleichungen in Differenzialform

Gauß'sches Gesetz für elektrische Felder:

Gauß'sches Gesetz für Magnetfelder:

Induktionsgesetz von Faraday:

Ampère'sches Durchflutungsgesetz:

Wellengleichungen

für das elektrische Feld:

für das magnetische Feld:

allgemeine Wellengleichung:

eindimensionale Wellengleichung:

Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle:

Elektrotechnik für Dummies. Das Lehrbuch

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2024

© 2024 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This book is published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Dieses Buch wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

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Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: BORIS – stock.adobe.comKorrektur: Matthias Delbrück

Print ISBN: 978-3-527-72026-2ePub ISBN: 978-3-527-84055-7

Über den Autor

Professor Dr.-Ing. Michael Felleisen lehrt seit 1999 an der Fakultät für Technik der Hochschule Pforzheim. Nach der Ausbildung zum Mess- und Regelmechaniker studierte er Elektrotechnik mit Vertiefung Regelungstechnik bei Prof. Dr. Dr. Otto Föllinger an der Universität (TH) Karlsruhe. Anschließend arbeitete er als Automatisierungsingenieur. Er promovierte1998 am Lehrstuhl für Prozessleittechnik der RWTH Aachen bei Prof. Dr. Martin Polke, bevor er 1999 den Ruf an die Hochschule Pforzheim annahm.

Seine Aufgabenschwerpunkte in der Lehre sind Elektrotechnik, Regelungstechnik, Automatisierungstechnik, Modellbildung und Erneuerbare Energietechnologien. Für die Elektro-, Regelungs- und Automatisierungstechnik leitet er die Lehr- und Projektlabore. Seine Forschungsaufgaben liegen in der Entwicklung der formalen Prozessbeschreibung und in der Modellbildung dynamischer Systeme.

Im Jahre 2005 wurde Michael Felleisen der Landeslehrpreis von Baden-Württemberg verliehen. Von 2007 bis 2011 war er hauptamtlicher Prorektor der Hochschule Pforzheim und verantwortlich für den Ausbau neuer Studiengänge, die er 2011 bis 2014 als Prodekan und Bereichsleiter der Informationstechnik in deren Umsetzung verantwortete. Von 2001 bis 2014 war er im Beirat der Fachzeitschrift Automatisierungstechnische Praxis (atp), seit 2003 ist er im Förderkreis und dem Redaktionsbeirat des P&A-Kompendiums. Im WILEY Verlag veröffentlichte er 2015 die Erstauflage zum Buch »Elektrotechnik für Dummies«, zu dem seit 2019 die zweite Auflage vorliegt. Weiterhin ist 2019 das zugehörige »Übungsbuch Elektrotechnik für Dummies« mit einer Vielzahl von Aufgaben und ausführlichen Lösungswegen erschienen. Im Jahre 2021 ergänzte er diese Reihe durch die Erstauflage des Buches »Wechselstromtechnik für Dummies«.

Mehr Informationen finden Sie unter www.hs-pforzheim.de

Danksagung

Bücher zu schreiben, macht viel Spaß, ist jedoch eine herausfordernde Aufgabe und nimmt eine gehörige Portion Zeit in Anspruch. Dies gilt nun auch für dieses besondere Lehrbuch zur Elektrotechnik. Da diese Zeit für die Familie fehlt, gilt zuallererst mein herzlicher Dank meiner Frau Anja. Danke für Deine Unterstützung!

Weiterhin gilt mein Dank Marcel Ferner vom WILEY Verlag für seine Bereitschaft, die Betreuung dieses anspruchsvollen Projekts zu übernehmen, und für seine Unterstützung in Bezug auf die gesamte Dummie-Buchreihe.

Die umfangreiche Aufgabe, ein Buch zu schreiben, ist nie allein zu meistern; irgendwann sieht man den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr und verliert den Blick für die erforderlichen Details. Deshalb gilt ein besonderer Dank meinem Lektor, Diplom-Physiker Tobias Schwaibold, der es immer wieder in genialer Weise versteht, meine Gedanken in die richtige Richtung zu lenken.

Und zu guter Letzt gilt mein herzlicher Dank Ihnen, den Lesern dieses Buches, weil Sie Ihre kostbare Zeit damit verbringen, meinen Formulierungen und Erklärungsversuchen zu folgen. Ich hoffe, Sie werden dafür mit dem gewünschten Verständnis für die Elektrotechnik belohnt und werden alle anstehenden Prüfungen und Klausuren mit Bravour bestehen.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß mit diesem besonderen Buch!

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über den Autor

Danksagung

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Was Sie nicht lesen müssen

Annahmen über die Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Teil I: Echt spannend – wie Ladung, Strom und Spannung zusammenhängen

Kapitel 1: Ohne mathematische Grundlagen geht es nicht

Physikalische Größen und ihre Einheiten

Geradengleichungen, wohin das Auge blickt

Ohne den Logarithmus geht es nicht

Auch die Exponentialfunktion spielt mit

Dreiecke und ihre Winkel

Skalare und Vektoren zur Darstellung von Feldern

Aus zwei mach eins: Vektoren addieren

Das Skalarprodukt verbindet Vektoren

Das Vektorprodukt mit dem Kreuz

Ohne Schwingungen geht es nicht

An Ableitung und Integration führt kein Weg vorbei

Das Wunder der komplexen Rechnung

Lineare Gleichungssysteme und der Gauß'sche Algorithmus

Lösung einer Differenzialgleichung erster Ordnung

Zu guter Letzt: Sinus- und Kosinussatz

Kapitel 2: Das elektrische Feld und seine Wirkung

Das elektrische Feld und sein Drumherum

Praktische Elektrotechnik im Alltag

Kapitel 3: Wie Ladung zu elektrischem Strom wird

Der elektrische Strom und sein Fluss

Ohne Spannungsquelle fließt kein Strom

Die Kraft, die alles zusammenhält

Übung macht den Meister!

Kapitel 4: Spannung braucht Widerstände

Wie elektrische Spannung entsteht

Der elektrische Widerstand und sein Leitwert

Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände

Übung macht den Meister!

Kapitel 5: Spannung ist Strom mal Widerstand – das Ohm'sche Gesetz

Das Ohm'sche Gesetz

Muskelkater ade – elektrische Arbeit statt Muskelkraft!

Übung macht den Meister!

Teil II: Immer in die gleiche Richtung: Gleichstromkreise

Kapitel 6: Blick in die Steckdose – woher kommt der Strom?

Bezüge und Richtungen – das Zählpfeilsystem

Das Innenleben der Steckdose

Ideale Spannungs- und Stromquellen

Übung macht den Meister!

Kapitel 7: Widerstände in Reihen- und Parallelschaltung

In Reih und Glied – die Reihenschaltung

Die Parallelschaltung

Übung macht den Meister!

Kapitel 8: Maschen und Knoten – die Kirchhoff'schen Gesetze

Die Knotenregel

Die Maschenregel

Eine Patchworkdecke aus Knoten und Maschen

Geteilte Spannungen im belasteten Spannungsteiler

Die Wheatstone'sche Brückenschaltung

Übung macht den Meister!

Teil III: Der Kondensator und das elektrische Feld

Kapitel 9: Die elektrische Feldstärke und ihr Potenzial

Volle Ladung – die Wirkung des elektrischen Feldes

Feldstärke im homogenen Feld

Feldstärke im inhomogenen Feld

Das Potenzial und der kleine, aber feine Unterschied

Übung macht den Meister!

Kapitel 10: Der elektrische Fluss und seine Begleiter

Aus der Influenz wird ein elektrischer Fluss

Die elektrische Flussdichte treibt an

Die Dielektrizitätskonstante und der Materialeinfluss

Übung macht den Meister!

Kapitel 11: Elektrostatische Felder leicht berechnet

Das elektrische Feld der geladenen Kugel

Das elektrische Feld in der Umgebung mehrerer Ladungen

Das Feld eines langen, geraden Leiters

Übung macht den Meister!

Kapitel 12: Kapazitäten und ihre Folgen

Definition der Kapazität

Die Kapazität des Plattenkondensators

Die Kapazität des Kugelkondensators

Die Kapazität des Zylinderkondensators

Kondensatoren verschaltet

Übung macht den Meister!

Kapitel 13: Der Ladevorgang beim Kondensator

Ein Kondensator wird aufgeladen

Der Kondensator entlädt sich wieder

Dann war da noch die Spannung am Widerstand

Übung macht den Meister!

Kapitel 14: Die Energiedichte wird zur Kraft

Energiedichte im elektrostatischen Feld

Kräfte zwischen Elektroden

Übung macht den Meister!

Teil IV: Spulen und der Magnetismus

Kapitel 15: Das Magnetfeld stromdurchflossener Leiter

Der Stab unter den Magneten

Magnetfeld eines langen, stromdurchflossenen Leiters

Die Zylinderspule

Ganz speziell: Die Toroidspule

Kapitel 16: Wichtige magnetische Feldgrößen

Magnetische Feldstärke und Durchflutung

Vom magnetischen Fluss zur Flussdichte

Übung macht den Meister!

Kapitel 17: Das Durchflutungsgesetz von Ampère

Von der Umlaufspannung zur Durchflutung

Experimentelle Überprüfung des Durchflutungsgesetzes

Anwendungsbeispiel zum Durchflutungsgesetz

Übung macht den Meister!

Kapitel 18: Das Ohm'sche Gesetz für den Magnetismus

Übung macht den Meister!

Kapitel 19: Herr Lorentz und die Kraft im magnetischen Feld

Der stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld

Das Prinzip des Elektromotors

Bewegte Ladung im Magnetfeld – die Lorentzkraft

Leiter ziehen sich an

Übung macht den Meister!

Kapitel 20: Induktion frei nach Faraday

Induktion durch Bewegung

Das Induktionsgesetz für mehrere Leiterschleifen

Kapitel 21: Selbst ist die Induktion

Entstehung und Wirkung der Selbstinduktion

Induktivität von Eisenspulen und Permeabilität

Energie des magnetischen Feldes

Ähnliche Geschwister – Analogien zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Feld

Übung macht den Meister!

Teil V: Der Gleichstrommotor und das elektromagnetische Feld

Kapitel 22: Der Magnetismus treibt an

Vom Geräteschema zum Ersatzschaltbild

Ersatzschaltbild des Gleichstrommotors

Kapitel 23: Eine Drehbewegung erzeugt Vortrieb

Kennwerte des Motors

Erregungsarten des Motors

Fall mir nicht zur Last!

Übung macht den Meister!

Teil VI: Stetig hin und her: Wechselstromkreise

Kapitel 24: Das Auf und Ab der sinusförmigen Wechselgrößen

Von der Gleich- zur periodischen Wechselgröße

Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung

Übung macht den Meister!

Kapitel 25: Kennwerte und ihre Wirkung

Amplitude, Augenblickswert und die Frequenz

Wer hat die Phase verschoben?

Wechselgrößen und ihre Mittelwerte

Übung macht den Meister!

Kapitel 26: Aus Linien werden Zeiger

Vorteile des Zeigerdiagramms

Komplexe Darstellung sinusförmiger Wechselgrößen

Übung macht den Meister!

Teil VII: Widerstand, Spule und Kondensator im Wechselstromkreis

Kapitel 27: Der Scheinwiderstand und sein Leitwert

Kapitel 28: Der Wirkwiderstand und sonst nichts

Ohm'scher Widerstand an Wechselstrom

Leistung am Ohm'schen Widerstand

Übung macht den Meister!

Kapitel 29: An der Induktivität kommt der Strom zu spät

Die Spule an Wechselstrom

Leistung an der Spule

Jetzt wird's komplex!

Übung macht den Meister!

Kapitel 30: Am Kondensator eilt der Strom vor

Der Kondensator an Wechselstrom

Leistung am Kondensator

Und

wieder

wird es komplex!

Übung macht den Meister!

Vergleich der Grundschaltungen an Wechselstrom

Teil VIII: Gemischte Schaltungen im Wechselstromkreis

Kapitel 31: Alles in Reihenschaltung: Widerstand, Spule und Kondensator

Reihenschaltung von Widerstand und Spule

Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator

Reihenschaltung von Widerstand, Spule und Kondensator

Reihenresonanz

Reihenschaltung komplexer Widerstände

Die Spannungsteilerregel für komplexe Widerstände

Übung macht den Meister!

Kapitel 32: Alles parallel: Widerstand, Spule und Kondensator

Parallelschaltung von Widerstand und Spule

Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator

Parallelschaltung von Widerstand, Spule und Kondensator

Parallelresonanz

Parallelschaltung komplexer Leitwerte

Stromteilerregel für komplexe Leitwerte

Übung macht den Meister!

Kapitel 33: Von der Reihen- zur Parallelschaltung: Der Ersatzzweipol

Ersatz für die Parallelschaltung

Ersatz für die Reihenschaltung

Übung macht den Meister!

Kapitel 34: Wechselnde Leistungen

Leistung bei Wirklast – Wirkleistung am Ohm'schen Widerstand

Leistung bei induktiver Belastung – Blindleistung der Spule

Leistung bei kapazitiver Belastung – die Blindleistung des Kondensators

Komplexe Leistung

Scheinleistung und Leistungsfaktor

Blindleistungskompensation

Übung macht den Meister!

Teil IX: Frequenzgang, Ortskurve und Filterschaltungen

Kapitel 35: Oh je, das Bode-Diagramm

Der Frequenzgang und seine Eigenschaften

Die speziellen Eigenschaften des Bode-Diagramms

Kapitel 36: Frequenzkennlinien und Ortskurven braucht das Land

Die Frequenzkennlinie – auf dem Weg zum Bode-Diagramm

Was ist mit der Ortskurvendarstellung?

Beispiele zur Konstruktion der Ortskurve

Kapitel 37: Filterschaltungen mit Höhen und Tiefen

RC- und RL-Tiefpassschaltungen

RC- und RL-Hochpassschaltungen

RC-Bandpassschaltung

Übung macht den Meister!

Kapitel 38: Resonanzfälle durch Spannung oder Strom

Die Spannungsresonanz in Reihenschaltungen

Die Resonanzfrequenz und die Thomson'sche Schwingungsgleichung

Die Stromresonanz in Parallelschaltungen

Übung macht den Meister!

Teil X: Dreimal hin und her: Drehstrom und mehr

Kapitel 39: Aus einer Phase werden drei

Erzeugung des Dreiphasen-Wechselstroms

Der Generator zur Erzeugung von Drehstrom

Der Motor im Drehstromnetz

Kapitel 40: Der Stern und das Dreieck

Sternschaltung des Generators

Dreieckschaltung des Generators

Kapitel 41: Verbraucher an drei Phasen

Sternschaltung des Verbrauchers

Dreieckschaltung des Verbrauchers

Kapitel 42: Ohne Leistung bewegt sich nichts

Übung macht den Meister!

Teil XI: Die Maxwell'schen Gleichungen – aus Feldern werden Wellen

Kapitel 43: Felder ohne Ende

Das elektrische Feld und seine Besonderheiten

Weiter geht's mit dem magnetischen Feld

Die Materialgleichungen für das elektrische und das magnetische Felder

Übung macht den Meister!

Kapitel 44: Die Maxwell-Gleichungen in Integralform

Alternative Darstellungsformen der Maxwell-Gleichungen

Die Bedeutung der ersten Maxwell-Gleichung

Die Bedeutung der zweiten Maxwell-Gleichung

Die Bedeutung der dritten Maxwell-Gleichung

Die Bedeutung der vierten Maxwell-Gleichung

Hoch lebe die Elektrodynamik!

Übung macht den Meister!

Kapitel 45: Die Maxwell-Gleichungen in Differenzialform

Von der Fläche zum Volumen – der Gauß'sche Integralsatz

Die erste Maxwell-Gleichung in Differenzialform

Die zweite Maxwell-Gleichung in Differenzialform

Von der Linie zur Fläche – der Integralsatz von Stokes

Die dritte Maxwell-Gleichung in Differenzialform

Die vierte Maxwell-Gleichung in Differenzialform

Übung macht den Meister!

Kapitel 46: Aus Felder werden Wellen

Maxwells Herleitung einer Wellengleichung

Maxwells Wellengleichung für das magnetische Feld

Elektromagnetische Wellen und das Licht

Der Hertz'sche Nachweis elektromagnetischer Wellen

Übung macht den Meister!

Teil XII: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 47: Zehn wichtige Erfinder der Elektrotechnik

Teilchen beginnen zu wirken – Charles Auguste de Coulomb

Das Durchflutungsgesetz – André-Marie Ampère

Die unheimliche Kraft des Stromes – Hans Christian Oersted

Aus Magnetismus werden Ströme – Michael Faraday

Komplexe Zahlen und (viel) mehr – Johann Carl Friedrich Gauß

Vom dynamoelektrischen Prinzip zum Firmengründer – Werner von Siemens

Aus Gleich- wird Wechselstrom – Nikola Tesla

Irgendwie gehört alles zusammen – James Clerk Maxwell

Der Vater der Frequenzen – Heinrich Rudolf Hertz

Die Drehstromübertragung – Oskar von Miller

Kapitel 48: Zehn wichtige Einheiten und deren Bedeutung

Kapitel 49: Zehn Dekaden der Elektrizität im 19. Jahrhundert

Kapitel 50: Meine zehn Lieblingsbücher für die Elektrotechnik

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 1

Tabelle 1.1: Basisgrößen, Basiseinheiten und deren Kurzzeichen

Tabelle 1.2: Vorsätze, Vorsatzzeichen und Dezimalfaktoren

Tabelle 1.3: Abgeleitete gesetzliche Größen und ihre Einheiten

Tabelle 1.4: Charakteristische Funktionswerte der Sinus- und der Kosinusfunktion

Tabelle 1.5: Wichtige unbestimmte Integrale

Kapitel 4

Tabelle 4.1: Farbcodetabelle für Widerstände

Kapitel 21

Tabelle 21.1: Die wichtigsten Größen im elektrischen und im magnetischen Feld

Kapitel 30

Tabelle 30.1: Grundgleichungen für Wechselstromkreise

Kapitel 35

Tabelle 35.1: Spannungsverhältnisse und ihre dB-Werte

Kapitel 36

Tabelle 36.1: Regeln zur Konstruktion einfacher Ortskurven

Kapitel 43

Tabelle 43.1: Größen im elektrischen und magnetischen Feld

Kapitel 45

Tabelle 45.1: Die vier Maxwell-Gleichungen in Integral- und in Differenzialform

Kapitel 46

Tabelle 46.1: Die vier Maxwell-Gleichungen in Differenzialform

Tabelle 46.2: Die vier Maxwell-Gleichungen in Differenzialform für das Vakuum

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Hauptform der Geraden

Abbildung 1.2: Einfaches Dreieck

Abbildung 1.3: Rechtwinkliges Dreieck

Abbildung 1.4: Vektor im kartesischen Koordinatensystem

Abbildung 1.5: Addition und Länge von Vektoren

Abbildung 1.6: Skalarprodukt zweier Vektoren

Abbildung 1.7: Vektor- oder Kreuzprodukt zweier Vektoren

Abbildung 1.8: Sinus- und Kosinusfunktion

Abbildung 1.9: Differenziation und Tangente

Abbildung 1.10: Integration und Flächenintegral

Abbildung 1.11: Darstellung einer komplexen Zahl in der Elektrotec...

Abbildung 1.12: Konjugiert komplexe Zahl

Abbildung 1.13: Komplexe Zahl in Polarkoordinaten

Abbildung 1.14: Wirkung der Drehung des Zeigers

Abbildung 1.15: Arkustangensfunktion

Abbildung 1.16: Drehung des Zeigers um +90°

Abbildung 1.17: Anwendungsbeispiel zur komplexen Rechnung

Abbildung 1.18: Zeitverlauf einer Differenzialgleichung erster Ord...

Abbildung 1.19: Winkelberechnung mit dem Kosinussatz

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Feldlinien zur Darstellung des elektrischen Feldes

Abbildung 2.2: Schematische Zeichnung eines elektrischen Rasierer...

Abbildung 2.3: Schaltskizze eines elektrischen Haartrockners

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Stromwaage von Ampère

Abbildung 3.2: Schaltbild eines einfachen Stromkreises

Abbildung 3.3: Bewegung der Ladungsträger im Leiter

Abbildung 3.4: Fluss der Ladungsträger im Stromkreis

Abbildung 3.5: Verlauf von Ladung

Q

und Strom

I

über der Zeit

t

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Voltas Elektrometer

Abbildung 4.2: Elektronenbewegung in metallischen Leitern

Abbildung 4.3: Widerstand mit fünfteiligem Farbcode

Abbildung 4.4: Temperaturabhängigkeit des spezifischen Materialwi...

Abbildung 4.5: Temperaturabhängigkeit von Halbleiterwiderständen

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Ohm'sche Drehwaage

Abbildung 5.2: Strom-Spannungs-Kennlinie aus dem Ohm'schen Gesetz

Abbildung 5.3: Anschluss des Gleichstrommotors zu Aufgabe 5.1

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Mögliche Schaltbilder einer Spannungsquelle

Abbildung 6.2: Stromrichtung im Schaltbild

Abbildung 6.3: Erzeuger- und Verbraucher-Zählpfeilsystem

Abbildung 6.4: Ersatzschaltbild einer Spannungsquelle

Abbildung 6.5: Grundstromkreis mit Spannungsquelle und Verbrauche...

Abbildung 6.6: Kurzschlussfall des Verbrauchers

Abbildung 6.7: Leerlauf des Verbrauchers

Abbildung 6.8: Anpassung über die Spannungs-Strom-Kennlinie

Abbildung 6.9: Reale und ideale Spannungsquelle

Abbildung 6.10: Skizze des Stromkreises zu Aufgabe 6.3

Abbildung 6.11: Gesuchte Kennlinie zu Aufgabe 6.3

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Reihenschaltung von Widerständen

Abbildung 7.2: Unbelasteter Spannungsteiler

Abbildung 7.3: Verbraucher mit Vorwiderstand

Abbildung 7.4: Spannungsabfall an elektrischen Leitungen

Abbildung 7.5: Parallelschaltung von Widerständen

Abbildung 7.6: Nebenwiderstand

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Knotenregel oder erstes Kirchhoff'sches Gesetz

Abbildung 8.2: Maschenregel oder zweites Kirchhoff'sches Gesetz

Abbildung 8.3: Erweiterte Reihenschaltung (erster Schritt)

Abbildung 8.4: Erweiterte Reihenschaltung (zweiter Schritt)

Abbildung 8.5: Erweiterte Reihenschaltung (dritter Schritt)

Abbildung 8.6: Erweiterte Reihenschaltung (vierter Schritt)

Abbildung 8.7: Erweiterte Reihenschaltung (fünfter Schritt)

Abbildung 8.8: Erweiterte Reihenschaltung (sechster Schritt)

Abbildung 8.9: Erweiterte Parallelschaltung (erster Schritt)

Abbildung 8.10: Erweiterte Parallelschaltung (zweiter Schritt)

Abbildung 8.11: Erweiterte Parallelschaltung (dritter Schritt)

Abbildung 8.12: Erweiterte Parallelschaltung (vierter Schritt)

Abbildung 8.13: Erweiterte Parallelschaltung (fünfter Schritt)

Abbildung 8.14: Gemischte Schaltung (Rechenbeispiel)

Abbildung 8.15: Belasteter Spannungsteiler

Abbildung 8.16: Brückenschaltung nach Wheatstone

Abbildung 8.17: Erweiterte Reihenschaltung zu Aufgabe 8.1

Abbildung 8.18: Erweiterte Parallelschaltung zu Aufgabe 8.2

Abbildung 8.19: Verstärkerschaltung einer E-Gitarre zu Aufgabe 8...

Abbildung 8.20: Vereinfachte Verstärkerschaltung zu Aufgabe 8.3

Abbildung 8.21: Gemischte Schaltung zu Aufgabe 8.4

Abbildung 8.22: Maschenregel nach Kirchhoff zu Aufgabe 8.4

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Elektrisches Feld zwischen zwei Ladungen

Abbildung 9.2: Wirkung des elektrischen Feldes auf eine Ladung im...

Abbildung 9.3: Ein Plattenkondensator in Aktion – die elektrische...

Abbildung 9.4: Feldstärke im inhomogenen elektrischen Feld

Abbildung 9.5: Feldlinien und Äquipotenziallinien beim Plattenkon...

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Zur Wirkung der Influenz

Abbildung 10.2: Elektrischer Fluss und Flussdichte beim Plattenk...

Abbildung 10.3: Vektorcharakter des elektrischen Flusses

Abbildung 10.4: Darstellung zum Gauß'schen Satz der Elektrostati...

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Feld der geladenen Kugel

Abbildung 11.2: Skizze zum Feld der geladenen Kugel

Abbildung 11.3: Richtung der Flussdichte und der Flächennormalen...

Abbildung 11.4: Verlauf der Kosinusfunktion

Abbildung 11.5: Überlagerung der E-Felder zweier unterschiedlich...

Abbildung 11.6: Addition der Feldvektoren

Abbildung 11.7: Feld eines langen, geraden Leiters

Abbildung 11.8: Skizze des Experimentieraufbaus zu Aufgabe 11.2

Abbildung 11.9: Überlandleitung und Bergbahngondel zu Aufgabe 11...

Abbildung 11.10: Wirkung des Feldstärkevektors zu Aufgabe 11....

Abbildung 11.11: Wirkung des Feldstärkevektors zu Aufgabe 11....

Abbildung 11.12: Winkel des Gesamtfeldstärkevektors zu Aufgab...

Abbildung 11.13: Winkelbestimmung mittels Kosinussatz zu Aufgab...

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Spannung und Ladung am Kondensator

Abbildung 12.2: Skizze zur Kapazität des Plattenkondensators

Abbildung 12.3: Kapazität des Plattenkondensators

Abbildung 12.4: Skizze zum Kugelkondensator

Abbildung 12.5: Geometrie des Kugelkondensators

Abbildung 12.6: Verlauf des

E

-Feldes über die Entfernung

r

aufge...

Abbildung 12.7: Skizze zum Zylinderkondensator

Abbildung 12.8: Geometrie des Zylinderkondensators

Abbildung 12.9: Parallelschaltung von Kondensatoren

Abbildung 12.10: Reihenschaltung von Kondensatoren

Abbildung 12.11: Reihenschaltung von Kondensatoren zu Aufgabe 1...

Abbildung 12.12: Gemischte Kondensatorschaltungen zu Aufgabe 12...

Abbildung 12.13: Skizze zum Koaxialkabel zu Aufgabe 12.4

Kapitel 13

Abbildung 13.1: RC-Stromkreis

Abbildung 13.2: Kennlinienverlauf der Kondensatorspannung bei Au...

Abbildung 13.3: Dynamisches Verhalten im RC-Stromkreis bei der A...

Abbildung 13.4: Kondensatorstrom im RC-Stromkreis bei Aufladung

Abbildung 13.5: RC-Stromkreis beim Entladevorgang

Abbildung 13.6: Kondensatorspannung im RC-Stromkreis bei Entladu...

Abbildung 13.7: Spannungsverläufe im RC-Stromkreis bei Aufladung

Abbildung 13.8: Spannungsverläufe im RC-Stromkreis bei Entladung

Abbildung 13.9: Schaltung zur Entladung des Kondensators

Abbildung 13.10: Entladekurve des Kondensators

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Energiespeicherung im Kondensator

Abbildung 14.2: Kräfte zwischen zwei Elektroden eines Kondensato...

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Stabmagnet mit Feldlinienverlauf

Abbildung 15.2: Magnetische Feldlinien um einen stromdurchflosse...

Abbildung 15.3: Rechte-Hand-Regel

Abbildung 15.4: Zylinderspule – Zeichnung mit Leiter

Abbildung 15.5: Zylinderspule – Schnitt durch den Stromleiter

Abbildung 15.6: Zylinderspule – Feldlinien

Abbildung 15.7: Zylinderspule – Schnitt durch die Spule

Abbildung 15.8: Ringkernspule

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Wirkung der Zylinderspule auf die Nadel

Abbildung 16.2: Zur Berechnung des Drehmoments auf die Magnetnad...

Abbildung 16.3: Ringkernspule mit dem mittleren Radius

r

m

Abbildung 16.4: Feldstärke bei einem Einzelleiter

Abbildung 16.5: Magnetische Flussdichte und Flächenelement

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Magnetische Umlaufspannung im H-Feld eines Leite...

Abbildung 17.2: Magnetische Umlaufspannung im

H

-Feld eines Leite...

Abbildung 17.3: Feldlinienverlauf in einem Hufeisenmagnet

Abbildung 17.4: Umlauf beim Durchflutungsgesetz

Abbildung 17.5: H-Feld eines stromdurchflossenen Leiters

Abbildung 17.6: Bestimmung des Wegelements

Abbildung 17.7: Verlauf der magnetischen Feldstärke außerhalb de...

Abbildung 17.8: Magnetische Feldstärke innerhalb und außerhalb d...

Abbildung 17.9: Das Leiterpaar zu Aufgabe 17.2

Abbildung 17.10: Zur Wirkung des Feldstärkevektors zu Aufgabe...

Abbildung 17.11: Zur Wirkung des Feldstärkevektors zu Aufgabe...

Abbildung 17.12: Winkel des Gesamtfeldstärkevektors zu Aufgabe ...

Abbildung 17.13: Zur Winkelbestimmung mittels Kosinussatz zu Au...

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Ringspule mit Radius r und Durchmesser d

Kapitel 19

Abbildung 19.1: Die Kraftwirkung des Magnetfelds

Abbildung 19.2: Die Kraftwirkung auf den stromdurchflossenen Lei...

Abbildung 19.3: Das Funktionsprinzip eines Elektromotors

Abbildung 19.4: Abstoßung zweier paralleler Leiter

Abbildung 19.5: Anziehung zweier paralleler Leiter

Abbildung 19.6: Leiterschleife im Magnetfeld zu Aufgabe 19.1

Abbildung 19.7: Kraftwirkung auf die Leiterteile zu Aufgabe 19.1

Abbildung 19.8: Betrag und Richtung der Gesamtkraft in Aufgabe 1...

Abbildung 19.9: Leiterdreieck zu Aufgabe 19.2

Abbildung 19.10: Kraft auf Leiter 2 zu Aufgabe 19.2

Abbildung 19.11: Bestimmung des Winkels zu Aufgabe 19.2

Abbildung 19.12: Winkelbestimmung mittels Kosinussatz zu Aufgab...

Abbildung 19.13: Kraftwirkung auf das Elektron zu Aufgabe 19.3

Abbildung 19.14: Messanordnung ohne Flugbahn zu Aufgabe 19.3

Abbildung 19.15: Messanordnung mit Flugbahn des Elektrons zu Au...

Kapitel 20

Abbildung 20.1: Induktionsspannung durch Bewegung des Leiters

Kapitel 21

Abbildung 21.1: Selbstinduktion in einer Ringspule

Abbildung 21.2: Schaltsymbole der Grundzweipole der Elektrotechn...

Abbildung 21.3: Bestimmung des Flächenelements zu Aufgabe 21.3

Abbildung 21.4: Parallelität der Vektoren in Aufgabe 21.3

Kapitel 22

Abbildung 22.1: Gerätetechnische Darstellung des Gleichstrommoto...

Abbildung 22.2: Prinzip der elektromechanischen Energieumwandlun...

Abbildung 22.3: Funktionsprinzip des Gleichstrommotors (Detailan...

Abbildung 22.4: Leiterschleifendrehung um 90°

Abbildung 22.5: Funktionsprinzip des Kommutators

Abbildung 22.6: Ersatzschaltbild des Gleichstrommotors

Abbildung 22.7: Ankerkreis des Motors aus dem Ersatzschaltbild

Abbildung 22.8: Zeitlicher Verlauf des Ankerstroms

Abbildung 22.9: Veränderung der Zeitkonstanten T

Abbildung 22.10: Mechanische Bewegung des Motors mit Last

Kapitel 23

Abbildung 23.1: Übergang zum stationären Zustand im Ankerkreis

Abbildung 23.2: Drehmomentverlauf des Gleichstrommotors

Abbildung 23.3: Erregungsarten des Gleichstrommotors

Abbildung 23.4: Kennlinie eines Gleichstrommotors mit Hubwerk

Abbildung 23.5: Ein quadratisches Lastmoment führt zu einer kubi...

Abbildung 23.6: Stationäre Motorenkennlinien

Abbildung 23.7: Bestimmung des Arbeitspunkts AP

Abbildung 23.8: Kennlinienverlauf Motor und Ventilator zu Aufgab...

Abbildung 23.9: Versuchsaufbau der Leiterschleife zu Aufgabe 23....

Abbildung 23.10: Ladungsverschiebung und Induktionsspannung zu ...

Abbildung 23.11: Abstoßung und Bremskraft zu Aufgabe 23.3

Kapitel 24

Abbildung 24.1: Faradays Versuchsaufbau

Abbildung 24.2: Grafische Darstellung von Gleichgrößen

Abbildung 24.3: Periodische Sägezahnfunktion

Abbildung 24.4: Periodische Zickzackfunktion

Abbildung 24.5: Sinusförmige Wechselgröße

Abbildung 24.6: Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung

Abbildung 24.7: Fläche der Leiterschleife mit Vektor der Flächen...

Abbildung 24.8: Spannungsverlauf am Spulenabgriff bei der Rotati...

Abbildung 24.9: Induktionsspannung und Scheitelwert

Abbildung 24.10: Darstellung der komplexen Zahl zu Aufgabe 24...

Abbildung 24.11: Darstellung der komplexen Zahl zu Aufgabe 24...

Abbildung 24.12: RL-Hochpassschaltung zu Aufgabe 24.3

Abbildung 24.13: Filterschaltung zu Aufgabe 24.4

Kapitel 25

Abbildung 25.1: Amplitude und Augenblickswert

Abbildung 25.2: Periode und Periodendauer

Abbildung 25.3: Spannungsverlauf und Nullphasenwinkel

Abbildung 25.4: Phasenverschiebungswinkel

Abbildung 25.5: Spannung- und Stromverlauf bei einer Spule

Abbildung 25.6: Gleichanteil einer periodischen Funktion

Abbildung 25.7: Widerstand an Gleich- und Wechselspannung

Abbildung 25.8: Zeitverlauf der Leistung am Widerstand bei Wechs...

Abbildung 25.9: Verlauf der Sinusfunktion

Abbildung 25.10: Sinusförmiger Strom und dessen Effektivwert

Abbildung 25.11: Phasenverschiebungs- und Nullphasenwinkel zu A...

Kapitel 26

Abbildung 26.1: Addition zweier Spannungen im Liniendiagramm

Abbildung 26.2: Übergang vom Zeiger- zum Liniendiagramm

Abbildung 26.3: Zeigerdiagramm mit vollem Zeigerumlauf

Abbildung 26.4: Geometrische Addition von Zeigern

Abbildung 26.5: Ermittlung des Augenblickswerts

Abbildung 26.6: Phasenverschiebung zweier Wechselgrößen

Abbildung 26.7: Komplexe Darstellung einer Spannung

Abbildung 26.8: Zeigerdiagramm mit Amplituden zu Aufgabe 26.1

Abbildung 26.9: Zeigerdiagramm mit Effektivwerten zu Aufgabe 26....

Abbildung 26.10: Zeiger- und Liniendiagramm zu Aufgabe 26.3

Abbildung 26.11: Zeiger- und Liniendiagramm zu Aufgabe 26.4

Abbildung 26.12: Zeigerdiagramm mit Effektivwerten zu Aufgabe 2...

Kapitel 27

Abbildung 27.1: Sinusförmige Spannung und Strom am Zweipol

Abbildung 27.2: Komplexer Widerstand in der Gauß'schen Zahlenebe...

Abbildung 27.3: Komplexer Leitwert in der Gauß'schen Zahlenebene

Kapitel 28

Abbildung 28.1: Spannung und Strom am Wirkwiderstand

Abbildung 28.2: Schaltung zu Aufgabe 28.3

Kapitel 29

Abbildung 29.1: Spannung und Strom an der Spule

Kapitel 30

Abbildung 30.1: Spannung und Strom am Kondensator

Kapitel 31

Abbildung 31.1: Reihenschaltung von Widerstand und Spule

Abbildung 31.2: Zeigerdiagramm für eine Reihenschaltung von Wide...

Abbildung 31.3: Ein Spannungsdreieck lässt sich bequem mithilfe ...

Abbildung 31.4: Widerstandsdreieck für eine Reihenschaltung von ...

Abbildung 31.5: Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator

Abbildung 31.6: Zeigerdiagramm für eine Reihenschaltung von Wide...

Abbildung 31.7: Das Spannungsdreieck für die Reihenschaltung von...

Abbildung 31.8: Widerstandsdreieck für die Reihenschaltung aus W...

Abbildung 31.9: Reihenschaltung von Widerstand, Spule und Konden...

Abbildung 31.10: Zeigerdiagramm für die Reihenschaltung aus Wid...

Abbildung 31.11: Das Spannungsdreieck für die Reihenschaltung a...

Abbildung 31.12: Widerstandsdreieck für die Reihenschaltung aus...

Abbildung 31.13: Verhältnis der Blindwiderstände bei der Reihen...

Abbildung 31.14: Reihenschaltung komplexer Widerstände mit Ersa...

Abbildung 31.15: Spannungsteiler für komplexe Widerstände

Abbildung 31.16: Reihenschaltung von Vorwiderstand und realer S...

Abbildung 31.17: Skizze zur Berechnung von Vor- und Scheinwider...

Abbildung 31.18: Schaltung und Widerstandsdreieck zu Aufgabe 31...

Abbildung 31.19: Schaltung zu Aufgabe 31.4

Abbildung 31.20: Zeigerdiagramm und Widerstandsdreieck zu Aufga...

Kapitel 32

Abbildung 32.1: Parallelschaltung von Widerstand und Spule

Abbildung 32.2: Zeigerdiagramm für die Parallelschaltung von Wid...

Abbildung 32.3: Im rechtwinkligen Stromdreieck für die Parallels...

Abbildung 32.4: Leitwertdreieck für die Parallelschaltung aus Wi...

Abbildung 32.5: Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator

Abbildung 32.6: Zeigerdiagramm der Parallelschaltung von Widerst...

Abbildung 32.7: Stromdreieck mit Dreieck von Pythagoras

Abbildung 32.8: Leitwertdreieck für die Parallelschaltung aus Wi...

Abbildung 32.9: Parallelschaltung von Widerstand, Spule und Kond...

Abbildung 32.10: Zeigerdiagramm für die Parallelschaltung von W...

Abbildung 32.11: Das Stromdreieck für die Parallelschaltung ein...

Abbildung 32.12: Leitwertdreieck

Abbildung 32.13: Verhältnis der Blindleitwerte

Abbildung 32.14: Parallelschaltung komplexer Leitwerte

Abbildung 32.15: Stromteiler für komplexe Leitwerte

Abbildung 32.16: Stromdreieck zu Aufgabe 32.1

Abbildung 32.17: Schaltung zu Aufgabe 32.2

Abbildung 32.18: Thaleskreis zu Aufgabe 32.2

Abbildung 32.19: Schaltung zu Aufgabe 32.3

Abbildung 32.20: Zeichnerische Lösung und Leitwertdreieck zu Au...

Abbildung 32.21: Schaltung zu Aufgabe 32.4

Abbildung 32.22: Leitwertdreieck zu Aufgabe 32.4

Kapitel 34

Abbildung 34.1: Leistungskurve für den Ohm'schen Widerstand

Abbildung 34.2: Leistungskurve für die Spule

Abbildung 34.3: Leistungskurve für den Kondensator

Abbildung 34.4: Komplexe Darstellung der Leistung

Abbildung 34.5: Induktiv wirkender Verbraucher für die Parallelk...

Abbildung 34.6: Stromdreieck ohne Parallelkompensation

Abbildung 34.7: Kompensation durch Parallelschaltung eines Konde...

Abbildung 34.8: Stromdreieck mit Parallelkompensation

Abbildung 34.9: Leistungsdreieck zur Parallelkompensation – link...

Abbildung 34.10: Leistungsdreieck zu Aufgabe 34.1

Abbildung 34.11: Leistungsdreieck ohne (links) und mit (rechts)...

Kapitel 35

Abbildung 35.1: Bode-Diagramm eines VZ

1

-Glieds

Kapitel 36

Abbildung 36.1: Komplexer Zeiger des I-Glieds

Abbildung 36.2: Frequenzkennlinie des I-Glieds

Abbildung 36.3: Bereinigte Frequenzkennlinie des I-Glieds

Abbildung 36.4: Endgültige Frequenzkennlinie des I-Glieds

Abbildung 36.5: Amplituden- und Phasengang im Bode-Diagramm des ...

Abbildung 36.6: Frequenzkennlinie eines P- und dreier VZ

1

-Gliede...

Abbildung 36.7: Ortskurve (oben) und Frequenzkennlinie (unten)

Abbildung 36.8: Entwicklung der Ortskurve über die konforme Abbi...

Abbildung 36.9: Verlauf der Ortskurve eines VZ

3

-Glieds

Abbildung 36.10: Ortskurve zum Frequenzgang der Abflussregelung

Abbildung 36.11: Reihenschaltung von Widerstand und Spule

Abbildung 36.12: Ortskurve des komplexen Widerstands der RL-Rei...

Abbildung 36.13: Ortskurve zum komplexen Leitwert der RL-Reihen...

Abbildung 36.14: RC-Tiefpassschaltung

Abbildung 36.15: Ortskurve der RC-Tiefpassschaltung

Kapitel 37

Abbildung 37.1: Durchlass- und Sperrbereich einer Filterschaltun...

Abbildung 37.2: RC- und RL-Tiefpassschaltung

Abbildung 37.3: Verlauf der Arkustangensfunktion

Abbildung 37.4: Frequenzkennlinie eines Tiefpasses

Abbildung 37.5: RC- und RL-Hochpassschaltung

Abbildung 37.6: Frequenzkennlinie eines Hochpasses

Abbildung 37.7: RC-Bandpassschaltung

Abbildung 37.8: Frequenzkennlinie eines Bandpasses

Abbildung 37.9: Schaltung des RC-Hochpasses zu Aufgabe 37.1

Abbildung 37.10: Amplitudengang des RC-Hochpasses

Abbildung 37.11: Tiefpassschaltung zu Aufgabe 37.2

Kapitel 38

Abbildung 38.1: Resonanzkreis mit Widerstand, Spule und Kondensa...

Abbildung 38.2: Spannungs- (links) und Widerstands-»Dreieck« (re...

Abbildung 38.3: Resonanzkurven des Reihenresonanzkreises

Abbildung 38.4: Resonanzkreis mit Widerstand, Spule und Kondensa...

Abbildung 38.5: Stromdreieck des Resonanzkreises

Abbildung 38.6: Resonanzkurven des Parallelresonanzkreises

Kapitel 39

Abbildung 39.1: Erzeugung eines Einphasen-Wechselstroms

Abbildung 39.2: Erzeugung eines Dreiphasen-Wechselstroms

Abbildung 39.3: Liniendiagramm zum Spannungsverlauf bei Drehstro...

Abbildung 39.4: Generator zur Erzeugung von Drehstrom

Abbildung 39.5: Schaltung der Spulen des Drehstromgenerators

Abbildung 39.6: Motor im Drehstromnetz

Abbildung 39.7: Verlauf der Ströme des permanenterregten Drehstr...

Abbildung 39.8: Funktionsprinzip des permanenterregten Drehstrom...

Abbildung 39.9: Verlauf der Ströme und Lage des Rotors des Drehs...

Abbildung 39.10: Kraftwirkung der Magnetfelder und Drehrichtung...

Kapitel 40

Abbildung 40.1: Sternschaltung des Generators

Abbildung 40.2: Zeigerdiagramm für die Sternschaltung

Abbildung 40.3: Dreieckschaltung des Generators

Kapitel 41

Abbildung 41.1: Verbraucherseitige Sternschaltung mit Neutrallei...

Abbildung 41.2: Ermittlung des Gesamtstroms bei symmetrischer La...

Abbildung 41.3: Ermittlung des Gesamtstroms bei unsymmetrischer ...

Abbildung 41.4: Sternschaltung ohne angeschlossenen Neutralleite...

Abbildung 41.5: Verbraucherseitige Dreieckschaltung

Abbildung 41.6: Bestimmung der Außenleiterströme bei symmetrisch...

Kapitel 42

Abbildung 42.1: Verbindung von Generator und Verbraucher

Kapitel 43

Abbildung 43.1: Strahlenförmiger Verlauf des elektrischen Feldes

Abbildung 43.2: Experiment zur Darstellung der Kraft auf eine La...

Abbildung 43.3: Geschlossener Verlauf der magnetischen Feldlinie...

Abbildung 43.4: Magnetische Kraftwirkung auf ein geladenes Teilc...

Abbildung 43.5: Allgemeines Kreuzprodukt und magnetische Kraftwi...

Kapitel 44

Abbildung 44.1: Leitungsstrom und Verschiebungsstrom im Kondensa...

Abbildung 44.2: Skizze zur Hüllfläche in der ersten Maxwell-Glei...

Orientierungspunkte

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Impressum

Über den Autor

Inhaltsverzeichnis

Einführung

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Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

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Einführung

Sie wollen die Elektrotechnik mit allen ihren faszinierenden Phänomenen kennen- und verstehen lernen? Herzlichen Glückwunsch, dann haben Sie mit diesem Buch die bestmögliche Wahl getroffen!

Vielleicht fragen Sie sich an dieser Stelle, was Ihnen die Elektrotechnik überhaupt bringt? Nun, stellen Sie sich einmal vor, wir Menschen würden den gesamten Strom, den wir für unser tägliches Leben brauchen, aus einer einzigen Steckdose beziehen. Und dann käme irgendjemand auf die Idee, den Stecker aus dieser Steckdose zu ziehen! Was würde dann mit unserem Leben passieren?

Wir wären nicht mehr in der Lage, unser Trinkwasser zu fördern.

Mobiles Telefonieren wäre unmöglich.

Die Ampelanlagen auf den Straßen würden nichts mehr anzeigen – völliges Verkehrschaos wäre die Folge! (Von fahrenden E-Autos ganz zu schweigen!)

Im Winter würden Sie frieren, denn ohne Elektrizität ist der Betrieb von Wärmepumpen nicht mehr möglich.

Unsere Nahrungsversorgung käme zum Erliegen, weil alle Supermärkte auf Strom angewiesen sind.

Noch schlimmer würde es in unseren Krankenhäusern zugehen: Alle Verfahren zur Wiederherstellung unserer Gesundheit benötigen Elektrizität, vom Bohrer beim Zahnarzt bis hin zum Röntgengerät.

Überall würden wir am eigenen Leibe spüren, was passiert, wenn der elektrische Strom abgeschaltet ist. Unser gewohntes Leben käme völlig zum Erliegen!

Schon alleine an diesen wenigen Beispielen erkennen Sie, wie wichtig es ist, eine Vorstellung davon zu haben, wie Elektrotechnik funktioniert und was sie heute für uns bedeutet. In diesem Buch unternehmen wir gemeinsam eine spannende Reise durch die wichtigsten technischen Errungenschaften der Elektrotechnik – und Sie werden erstaunt sein, wie stark dieses Fachgebiet unser modernes Leben prägt. Ich wünsche Ihnen viel Spaß bei dieser aufregenden Tour ins Land der Elektrotechnik!

In diesem Buch finden Sie von der Gleichstromtechnik über die Besonderheiten von Wechselstromkreisen und speziellen Filterschaltungen bis hin zu Drehstromtechnologien, Maxwell'schen Feldern und elektromagnetischen Wellen alles, was das Elektrotechniker-Herz begehrt. Alle Kapitel enthalten lehrreiche Übungsaufgaben und anhand ausführlicher Lösungsvorschläge können Sie in Einzelschritten Ihr Wissen überprüfen. Mehr noch: Sie können sich auf alle Eventualitäten bei Hochschul-Klausuren und -Prüfungen vorbereiten und werden Ihre Dozenten mit Ihrem Fachwissen in Erstaunen versetzen!

Um den Praxischarakter des Buches zu betonen, habe ich mich dazu entschieden, die Lösungen zu den in jedem Kapitel vorhandenen Übungsaufgaben nicht wie sonst üblich in einen separaten Anhang abzuschieben, sondern sie direkt im Anschluss an die Aufgabenstellung anzubieten. Denn in einem Lehrbuch wie diesem gehört meiner Meinung nach das erfolgreiche Üben zu den theoretischen Zusammenhängen dazu wie die Butter zum Brot. Nur die Übung macht den Meister! Und das wollen Sie doch werden, oder nicht?

Bevor wir losmarschieren, möchte ich mit zwei Mythen brechen, die die Elektrotechnik seit jeher in ein falsches Licht rücken. Zum einen taucht immer wieder die Behauptung auf: »Um Elektrotechnik zu verstehen, braucht man Mathematik … und von Mathematik habe ich keine Ahnung!« Zum anderen fallen seit Generationen in Vorlesungen die Worte: »Wie leicht zu sehen ist, folgt …!«

Ich habe als Student weder die Mathematik noch die Elektrotechnik »leicht gesehen« und schon gar nicht die »leichten Folgerungen« verstanden, die aus einer Gleichungszeile auf die nächste folgen sollten. Besonders frustrierend war es, wenn mathematische Herleitungen mit diesem Standardsatz gewürzt (oder gar durch ihn ersetzt) wurden. Habe ich mir nach der Vorlesung die Mühe gemacht, die beiden Gleichungszeilen verstehen zu wollen, war ich häufig überrascht, dass ich für dieses »leichte Sehen« eine ganze Seite von mathematischen Einzelschritten aufschreiben musste. Ich fand das damals extrem demotivierend. Und deshalb werde ich für Sie alle einzelnen Rechenschritte aufzeigen und erklären, auch wenn diese noch so elementar sind. Versprochen! Schließlich möchte ich Ihnen den Zauber der Elektrotechnik verständlich machen, ohne dass dieser von anderen (mathematischen) Einflüssen verdeckt wird. Dieses Buch »Elektrotechnik für Dummies – Das Lehrbuch« zeichnet sich durchgehend dadurch aus, dass es treu dem Motto »Gesetze, Anwendungsbeispiele und Übungsaufgaben« folgt!

Alle in diesem Buch dargestellten Erkenntnisse der Elektrotechnik wurden von Menschen entdeckt, die vor hundert und mehr Jahren wirkten. Die Phänomene, die sie nach schweißtreibenden Experimenten erkannten, mussten sie so beschreiben, dass diese Beschreibungen für andere Menschen nachvollziehbar waren. Die »universelle Sprache«, der sich diese Menschen bedienten, war und ist die Mathematik, die von allen Wissenschaftlern auf unserer Welt gleichermaßen verstanden wird. Die Mathematik, die wir brauchen, um die Phänomene der Elektrotechnik zu beschreiben und zu verstehen, ist also kein Hexenwerk, sondern ein Handwerk. Die Mathematik in diesem Buch ist mit dem Lehrinhalt der gymnasialen Oberstufe vergleichbar, auch wenn die Gleichungen gelegentlich unverständlich aussehen mögen. Wenn Sie beispielsweise zum ersten Mal mit der Gleichung

für das Durchflutungsgesetz konfrontiert werden, haben Sie sicher die Befürchtung, eine solche Integralgleichung ohne tiefergehende Mathematikkenntnisse niemals verstehen zu können – geschweige denn, sie zu lösen, oder? Doch der Schein trügt! Sie werden in diesem Buch erfahren, dass wir Ingenieure ein solches komplexes Integral nicht auf demselben abstrakten Level zu lösen brauchen wie ein Mathematiker. Stattdessen definieren wir Randbedingungen, mit deren Hilfe sich solch ein Integral mit ganz elementaren Rechenschritten lösen lässt. Also haben Sie bitte keine Sorge, dass die Mathematik Ihnen auf unserer Reise durch das Reich der Elektrotechnik zum Stolperstein werden könnte. Wir schaffen das gemeinsam, versprochen!

Lassen Sie uns nun gemeinsam aufbrechen in die interessante Welt dieser einzigartigen Elektrotechnik …!

Über dieses Buch

Dieses Buch führt Sie in die grundlegenden Zusammenhänge der Elektrotechnik ein, damit Sie verstehen, was das Elektron treibt, dem wir so gut wie alle unsere heutigen technischen Errungenschaften verdanken. Der von Werner von Siemens (1816–1892) geprägte Begriff der Elektrotechnik setzt sich aus den beiden Wörtern »Elektro(n)« und »Technik« zusammen. Mit dem griechischen Wort »Elektron« (oder auf Lateinisch »Electrum«) ist Bernstein gemeint: Dieses Material ist in der Lage, leichte Gegenstände »elektrisch« anzuziehen, wenn Sie ihn zuvor mit einem trockenen Tuch reiben. Probieren Sie es einfach einmal aus, Sie werden staunen!

Die technische Nutzung elektrischer Energie konnte erst beginnen, nachdem um das Jahr 1800 herum eine Reihe wichtiger Entdeckungen gemacht waren: Das Prinzip der elektrischen Batterie von Alessandro Volta (1745–1827) gehört dazu wie auch die Entdeckung des Zusammenhangs zwischen der Elektrizität und dem Magnetismus durch Christian Oersted (1777–1851). Oersted erkannte, dass eine Magnetnadel neben einem vom Strom durchflossenen Leiter eine Auslenkung erfährt, was ab 1820 die Neugierde weiterer Erfinder weckte. Einer der wichtigsten von ihnen, Michael Faraday (1791–1867), erkannte 1831 die elektromagnetische Induktion, dank derer wir heute Generatoren zur Stromerzeugung nutzen können. Und schließlich trug die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens zum Bau von Dynamomaschinen bei, ohne die wir in unseren Kraftwerken keinen elektrischen Strom »generieren« könnten.

Alle diese Zusammenhänge werden in diesem Buch in nachvollziehbaren Schritten erklärt, egal ob Sie Ingenieur- oder Naturwissenschaften studieren oder sich einfach nur so für diese spannende Technologie interessieren. Egal, ob Sie an einer Universität oder einer Hochschule studieren, ob Sie an einer Berufsschule oder einem Gymnasium sind, oder ob Sie einfach nur neugierig auf die Elektrotechnik schauen wollen – dieses Buch ist für Sie geschrieben!

Konventionen in diesem Buch

Dieses Buch beinhaltet einige wenige Konventionen zur Schreibweise:

Vektoren,

also physikalische Größen, die einen Betrag und eine Richtung haben, werden mit einem Pfeil über der Größe versehen, wie beispielsweise die elektrische Feldstärke .

Physikalische und technische Größen

sind

kursiv

geschrieben, Einheiten tauchen hingegen in steiler Schrift auf. Bei der Größe

m

handelt es sich also um die physikalische Größe der »Masse«, während ein nicht kursiv geschriebenes m für die Einheit »Meter« steht. Auch neue beziehungsweise wichtige Begriffe sind kursiv geschrieben.

Komplexe Variablen

sind

kursiv

geschrieben und werden zusätzlich durch Unterstreichung

U

gekennzeichnet.

Generisches Maskulinum:

der Einfachheit halber und des Textflusses wegen verwende ich in diesem Buch das generische Maskulinum. Selbstverständlich spreche ich an den entsprechenden Stellen Frauen und non-binäre Menschen gleichermaßen damit an.

Was Sie nicht lesen müssen

Alle Teile dieses Buches sind so formuliert, dass Sie diese nicht hintereinander lesen müssen, sondern frei zwischen den Kapiteln hin- und herspringen können.

Die Lösungen der gestellten Übungsaufgaben sind vermutlich nur für diejenigen Leser relevant, die sich gerade auf eine Prüfung zur Elektrotechnik vorbereiten. Die zugehörigen detaillierten Lösungswege finden Sie gleich im Anschluss an die Aufgabenstellungen. Versuchen Sie bitte stets, die Übungsaufgaben zunächst mithilfe der Theorie des zugehörigen Kapitels eigenständig zu lösen, ohne sich den Lösungsweg anzuschauen! Die Lösungen kommen erst ins Spiel, wenn Sie das bei der Aufgabenstellung angegebene Ergebnis nicht herausbekommen oder Ihren eigenen Lösungsweg kontrollieren wollen (oder Ihnen ausnahmsweise gar kein Lösungsweg einfallen sollte). Beachten Sie bitte, dass die Übungsaufgaben so angeordnet sind, dass sie schrittweise von einfachen zu komplexeren Anforderungen führen.

Annahmen über die Leser

Beim Schreiben dieses Buches bin ich von folgenden Annahmen über Sie, die Leser dieses Buches, ausgegangen:

Sie interessieren sich für die Zusammenhänge und Erklärungen rund um die Phänomene der Elektrotechnik.

Sie wollen etwas Neues lernen oder bekanntes Wissen festigen.

Sie sind mit den mathematischen Gesetzen und Vorgehensweisen für die gymnasiale Oberstufe vertraut.

Sie haben Interesse an Physik, was eine wichtige Basis für die Elektrotechnik darstellt.

Wie dieses Buch aufgebaut ist