Heinz-Josef Bauckholt
Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik
Vorwort des Herausgebers
6
Vorwort zur 8. Auflage
8
Vorwort zur 7. Auflage
8
Inhalt
10
0 Einleitung
20
1 Elektrische Grundgrößen
21
1.0 Elektrizität und Elektrotechnik
21
1.1 Elektrischer Strom
22
1.1.1 Elektrische Ladung als Ursprung der Elektrizität
22
1.1.1.1 Das Elektron im Atomaufbau
23
1.1.1.2 Das Elektron als kleinste elektrische Ladung
24
1.1.1.3 Das Modell des elektrischen Feldes um eine elektrische Ladung
25
1.1.2 Stromfluss als gerichtete bewegte Ladung
26
1.1.2.1 Elektrischer Stromfluss
26
1.1.2.2 Elektronengeschwindigkeit und Stromgeschwindigkeit
27
1.1.2.3 Stromdichte
28
1.1.2.4 Wirkungen des elektrischen Stromes
30
1.1.3 Stromarten
31
1.2 Elektrische Spannung
31
1.2.1 Energieniveau zwischen getrennten Ladungen
32
1.2.2 Spannungsgewinnung durch Energieumwandlung
34
1.2.3 Spannungsarten
35
1.3 Elektrischer Widerstand
36
1.3.1 Stromleitung in Metallen
36
1.3.1.1 Aufbau und Gitterstruktur von Metallen
36
1.3.1.2 Das Bändermodell bei Metallen
37
1.3.1.3 Vorgang der Stromleitung
38
1.3.2 Elektrischer Widerstand als Strombegrenzer
38
1.3.2.1 Spezifischer elektrischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit
39
1.3.2.2 Bemessungsgleichung des Widerstandes
41
1.3.2.3 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes
43
1.3.3 Stromleitung in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen
46
2 Elektrischer Stromkreis
47
2.1 Aufbau des technischen Stromkreises
47
2.2 Strömungsgesetze im elektrischen Stromkreis
48
2.2.1 Ohm’sches Gesetz
48
2.2.2 Widerstandsdiagramme
50
2.2.2.0 Einführung
50
2.2.2.1 Lineare Widerstände
51
2.2.2.2 Nichtlineare Widerstände
54
2.3 Messung von Strom und Spannung
57
2.3.1 Strommessung
57
2.3.2 Spannungsmessung
57
2.4 Aktive und passive Zwei- und Vierpole
58
2.4.0 Einführung
58
2.4.1 Zweipole
59
2.4.1.0 Definitionen
59
2.4.1.1 Spannungsquelle als aktiver Zweipol
59
2.4.1.2 Widerstand und andere „Verbraucher“ als passiver Zweipol
59
2.4.2 Vierpole
60
2.4.2.0 Definitionen
60
2.4.2.1 Ausgewählte aktive Vierpole
60
2.4.2.2 Ausgewählte passive Vierpole
61
3 Grundschaltungen für Gleichstrom
63
3.1 Reihenschaltung von Widerständen
63
3.1.1 Gesamtstrom, Gesamtspannung, Gesamtwiderstand
63
3.1.2 Verhältnisbildung zwischen Teilspannung und Teilwiderständen –– Spannungsteilung
66
3.1.3 Der feste bzw. fest eingestellte unbelastete Spannungsteiler
67
3.1.4 Der stellbare unbelastete Spannungsteiler (Potenziometerschaltung)
68
3.1.5 Vergleich von Spannungspotenzialen
70
3.1.6 Grafische Lösung einer Reihenschaltung
72
3.2 Parallelschaltung von Widerständen
74
3.2.1 Gesamtspannung, Gesamtstrom, Gesamtwiderstand
74
3.2.2 Verhältnisbildung zwischen Teilströmen und Widerständen –– Stromteilung
77
3.2.3 Ersatzwiderstand ¼ Gesamtwiderstand parallel geschalteter Widerstände
79
3.2.4 Ersatzleitwert
81
3.2.5 Grafische Lösung einer Parallelschaltung
81
3.3 Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle
83
3.3.1 Ersatzspannungsquelle
83
3.3.1.0 Einführung
83
3.3.1.1 Schaltung
83
3.3.1.2 Kennlinie und Kenngrößen
84
3.3.2 Ersatzstromquelle
88
3.3.2.0 Einführung
88
3.3.2.1 Schaltung
88
3.3.2.2 Kennlinie und Kenngrößen
88
3.4 Gemischte Schaltungen von Widerständen
90
3.4.1 Reihenund Parallelschaltungen von Widerständen in einer Schaltung
90
3.4.2 Belasteter Spannungsteiler
94
3.4.2.0 Einführung
94
3.4.2.1 Fester belasteter Spannungsteiler
94
3.4.2.2 Stellbarer belasteter Spannungsteiler (Potenziometerschaltung)
96
3.4.3 Brückenschaltung
98
3.4.3.0 Einführung
98
3.4.3.1 Die abgeglichene Brückenschaltung
98
3.4.3.2 Die unabgeglichene Brückenschaltung
100
3.5 Netzwerke und ihre Berechnungsmethoden
100
3.5.0 Einführung
100
3.5.1 Stern-Dreieck-Umwandlung
100
3.5.2 Maschen- und Knotenpunktgleichungen
108
3.5.3 Ersatzspannungs- und Ersatzstromquellen –– Umwandlung
111
3.5.4 Überlagerungssatz
116
3.5.5 Passive Vierpole aus Widerstandsnetzwerken
123
3.5.5.0 Einführung
123
3.5.5.1 Aufstellung von Vierpolgleichungen
124
3.5.5.2 Definition und Kennzeichnung der Vierpolparameter
127
3.5.5.3 Ermittlung der Bauelementdaten einer Vierpol-Innenschaltung aus den Daten der Vierpolparameter
130
3.6 Elektrische Arbeit und Leistung
133
3.6.1 Elektrische Arbeit
133
3.6.2 Elektrische Leistung
135
3.6.2.1 Leistungshyperbel
138
3.6.2.2 Nutzleistung und Verlustleistung
141
3.6.2.3 Wirkungsgrad
144
3.6.2.4 Leistungsanpassung
145
3.7 Umwandlung elektrischer Energie in andere Energien und umgekehrt
149
3.7.0 Einführung
150
3.7.1 Elektrische Energie in mechanische Energie
151
3.7.2 Elektrische Energie in thermische Energie
152
3.7.3 Elektrische Energie in optische Energie
153
3.7.4 Elektrische Energie in chemische Energie
154
3.7.4.0 Einführung
154
3.7.4.1 Elektrolyse und Leitungsmechanismus in Flüssigkeiten
154
3.7.4.2 Elektrochemische Spannungsquellen
158
3.7.4.2.1 Galvanische Elemente (Primärelemente)
158
3.7.4.2.2 Akkumulatoren (Sekundärelemente)
162
4 Das elektrische Feld und der Kondensator
173
4.0 Einführung
173
4.1 Erscheinungsform des elektrischen Feldes
173
4.1.1 Elektrische Felder zwischen elektrischen Ladungen –– elektrostatische Felder
173
4.1.2 Elektrische Felder in und zwischen stromführenden Leitern
174
4.1.2.0 Einführung
174
4.1.2.1 Felder in stromführenden Leitern
174
4.1.2.2 Felder zwischen Strom führenden Leitern
175
4.2 Die elektrische Feldstärke als Kenngröße des elektrischen Feldes
176
4.3 Kräfte im elektrischen Feld und das Coulomb’sche Gesetz
178
4.4 Spannungspotenziale in elektrischen Feldern
180
4.4.1 Spannung im elektrischen Feld
180
4.4.2 Spannung zwischen getrennten Ladungen
181
4.5 Ladungsspeicherung und Kondensator
182
4.6 Isolierstoffe im elektrischen Feld
186
4.6.1 Ladungsverschiebungen in Isolierstoffen oder die elektrische Influenz
186
4.6.2 Feldkonstante des elektrischen Feldes
187
4.6.3 Bemessungsgleichung der Kapazität
189
4.7 Schaltungen von Kondensatoren
191
4.7.1 Reihenschaltung von Kondensatoren
191
4.7.2 Parallelschaltung von Kondensatoren
193
4.7.3 Reihenund Parallelschaltungen von Kondensatoren in einer Schaltung
194
4.8 Schaltvorgänge am Kondensator
196
4.8.1 Einschaltoder Ladevorgang am Kondensator
196
4.8.2 Ausschaltoder Entladevorgang am Kondensator
202
4.9 Gespeicherte Energie eines geladenen Kondensators und die Energie des elektrischen Feldes
206
5 Das magnetische Feld
211
5.1 Erscheinungsformen des magnetischen Feldes
211
5.1.1 Das magnetische Feld eines Natur- oder Dauermagneten
211
5.1.2 Das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters
212
5.1.3 Das magnetische Feld einer stromdurchflossenen Spule oder eines Elektromagneten
213
5.1.4 Eigenschaften magnetischer Felder
213
5.2 Kenngrößen des magnetischen Feldes
214
5.2.1 Magnetfluss oder magnetischer Fluss
214
5.2.2 Magnetflussdichte oder magnetische Flussdichte
214
5.2.3 Elektrische Durchflutung
215
5.2.4 Magnetische Feldstärke
216
5.2.5 Magnetischer Widerstand und magnetischer Leitwert
218
5.3 Magnetisierungskennlinien
223
5.3.1 Die Magnetflussdichte als Funktion der magnetischen Feldstärke
223
5.3.2 Magnetisierungskennlinie einer Luftspule
223
5.3.3 Magnetisierungskennlinie einer Spule mit Kern aus ferromagnetischen Werkstoffen
224
5.3.3.1 Aufbau der Magnetisierungskennlinien ferromagnetischer Werkstoffe
224
5.3.3.2 Die Magnetisierungskennlinien magnetischer Werkstoffe beim Ummagnetisierungsvorgang oder die magnetische Hysteresis
227
5.3.3.3 Arten und Aussteuerung von Hystereseschleifen
228
5.4 Magnetisierungsarbeit und Magnetisierungsverluste
230
5.4.1 Magnetisierungsarbeit
230
5.4.2 Magnetisierungsverluste
231
5.5 Der magnetische Kreis
232
5.6 Kräfte im Magnetfeld
236
5.6.1 Kräfte an magnetischen Polen
237
5.6.2 Kräfte zwischen magnetischen Feldern
240
5.6.2.1 Magnetflussdichte und Feldstärke des magnetischen Feldes eines stromdurchflossenen Leiters
240
5.6.2.2 Überlagerung von magnetischen Feldern parallel verlaufender stromdurchflossener Leiter
243
5.6.2.3 Kräfte zwischen dem magnetischen Feld eines stromdurchflossenen Leiters oder einer Spule und dem magnetischen Feld eines Dauermagneten – Motorprinzip
244
5.6.2.4 Kräfte zwischen den magnetischen Feldern stromdurchflossener Leiter
247
5.7 Magnetische Induktion oder Spannungserzeugung durch Veränderung magnetischer Felder
249
5.7.1 Bewegung eines stromlosen Leiters im konstanten magnetischen Feld –– Generatorprinzip
250
5.7.2 Bewegung eines stromdurchflossenen Leiters im konstanten magnetischen Feld –– Generatorprinzip
251
5.7.3 Induktionsgesetz bei bewegten Leitern und Spulen im konstanten magnetischen Feld
252
5.7.3.0 Einführung
252
5.7.3.1 Induktionsgesetz bei geradliniger Bewegung eines Leiters oder einer Spule
252
5.7.3.2 Induktionsgesetz bei Rotationsbewegung eines Leiters oder einer Spule
255
5.7.4 Induktionsgesetz bei ruhenden Leitern oder Spulen im zeitlich veränderlichen magnetischen Feld
256
5.7.4.1 Induktivität, die magnetische Kenngröße einer Spule
258
5.7.4.2 Energie des Magnetfeldes
261
5.7.4.3 Reihen- und Parallelschaltung von Induktivitäten
262
5.7.4.4 Schaltvorgänge an Spulen
263
5.7.5 Transformatorprinzip
265
6 Grundschaltungen für Wechselspannungen
272
6.1 Darstellung und Kenngrößen von Wechselspannungen und Wechselstrom
272
6.1.0 Einführung
272
6.1.1 Zeiger- und Liniendiagramme
272
6.1.2 Kenngrößen von Wechselspannung und Wechselstrom
274
6.1.3 Zeitliche Betrachtung von Wechselspannungen und Wechselströmen
279
6.1.4 Überlagerung von Wechselspannungen und die Fourier-Analyse
282
6.2 Verhalten der idealen Grundschaltelemente an Wechselspannung
286
6.2.1 Idealer Wirkwiderstand an Wechselspannung
286
6.2.2 Idealer Kondensator an Wechselspannung
287
6.2.3 Ideale Spule an Wechselspannung
294
6.3 Komplexe Rechnung und die Anwendung im Wechselstromkreis
299
6.3.1 Komplexe Zahlen –– Komplexe Zahlenebene –– Rechenregeln
299
6.3.2 Elektrische Größen in komplexer Schreibweise
302
6.4 Reihenschaltungen im Wechselstromkreis
303
6.4.1 Widerstand und Kondensator
303
6.4.2 Widerstand und Spule
308
6.4.3 Kondensator und Spule
311
6.4.4 Widerstand, Kondensator und Spule
313
6.5 Parallelschaltungen im Wechselstromkreis
317
6.5.1 Widerstand und Kondensator
317
6.5.2 Widerstand und Spule
321
6.5.3 Kondensator und Spule
324
6.5.4 Widerstand, Kondensator und Spule
326
6.6 Gemischte Schaltungen im Wechselstromkreis – Impedanzschaltungen
329
6.7 Resonanz im Wechselstromkreis
338
6.7.1 Begriff der Grenzfrequenz
338
6.7.2 Begriff der Resonanz und der Resonanzfrequenz
341
6.7.3 Reihenresonanzkreis
342
6.7.3.0 Einführung
342
6.7.3.1 Idealer Reihenresonanzkreis
342
6.7.3.2 Realer Reihenresonanzkreis
344
6.7.4 Parallelresonanzkreis
346
6.7.4.0 Einführung
346
6.7.4.1 Idealer Parallelresonanzkreis
346
6.7.4.2 Realer Parallelresonanzkreis
347
6.8 Impedanzschaltungen und das Verhalten bei variablen Frequenzen – Ortskurven
349
6.8.0 Einführung
349
6.8.1 Ortskurven von Reihenschaltungen
350
6.8.2 Ortskurven von Parallelschaltungen
352
6.8.3 Ortskurve einer gemischten Impedanzschaltung
354
6.9 Elektrische Arbeit und elektrische Leistung im Wechselstromkreis
358
6.9.1 Leistung im Wechselstromkreis
358
6.9.1.0 Einführung
358
6.9.1.1 Wirkleistung
358
6.9.1.2 Blindleistung
361
6.9.1.3 Wirk-, Blind- und Scheinleistung im Wechselstromkreis
362
6.9.2 Blindleistungskompensation oder Leistungsfaktorverbesserung
368
6.9.3 Arbeit im Wechselstromkreis
371
7 Mehrphasenwechselspannung –– Mehrphasenwechselstrom (Drehstrom)
379
7.1 Erzeugung von Mehrphasenwechselspannung
379
7.2 Dreiphasenwechselspannung
380
7.2.1 Spannungserzeuger in Sternschaltung
382
7.2.2 Spannungserzeuger in Dreieckschaltung
383
7.2.3 Verbraucher in Sternschaltung
383
7.2.4 Verbraucher in Dreieckschaltung
386
7.3 Spannungsnetze – öffentliche Netze
390
8 Lineare technische Widerstände
398
8.0 Einleitung
398
8.1 Bauarten technischer Widerstände
398
8.1.0 Einführung
398
8.1.1 Festwiderstände
398
8.1.1.0 Einführung
398
8.1.1.1 Schichtwiderstände
399
8.1.1.2 Drahtwiderstände
400
8.1.2 Stellbare Widerstände (Potenziometer)
401
8.1.2.0 Einführung
401
8.1.2.1 Schichtpotenziometer
401
8.1.2.2 Drahtpotenziometer
402
8.2 Daten und Normen technischer Widerstände
403
8.2.1 Technische Daten
403
8.2.2 Normung
404
8.2.2.1 Normung der Widerstandswerte
404
8.2.2.2 Normung der Kennzeichnung
408
9 Technische Kondensatoren
410
9.1 Bauarten technischer Kondensatoren
410
9.1.0 Einführung
410
9.1.1 Wickelkondensatoren
410
9.1.1.0 Einführung
410
9.1.1.1 MP-Kondensatoren
410
9.1.1.2 MK-Kondensatoren
411
9.1.2 Keramikkondensatoren
412
9.1.3 Elektrolytkondensatoren
412
9.1.3.0 Einführung
412
9.1.3.1 Aluminium-Elektrolytkondensatoren
412
9.1.3.2 Tantal-Elektrolytkondensatoren
413
9.1.4 Stellbare Kondensatoren (Drehko)
414
9.2 Daten und Normen technischer Kondensatoren
414
9.2.1 Technische Daten
414
9.2.2 Normung
416
9.2.2.1 Normung der Kapazitätswerte
416
9.2.2.2 Normung der Kennzeichnung
417
10 Technische Spulen
420
10.1 Bauarten technischer Spulen
420
10.1.0 Einführung
420
10.1.1 Luftspulen
420
10.1.2 Spulen mit Kernen aus magnetischem Werkstoff
425
10.2 Daten technischer Spulen
427
Lösungen
429
Literaturverzeichnis
472
Sachwortverzeichnis
474
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