Grundlagen der Elektrotechnik 1 von Wolf-Ewald Büttner
Oldenbourg Verlag München Wien
Inhalt Vorwort Inhalt
V VII
1
Einleitung
1
2
Grundbegriffe
3
2.1
Elektrische Ladung
3
2.2
Leiter und Nichtleiter
4
2.3
Elektrischer Strom und Stromstärke
5
2.4
Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger
8
2.5
Stromdichte
9
2.6
Energie
10
2.7
Elektrisches Potenzial und elektrische Spannung
11
2.8
Zählpfeilsysteme
13
2.9 2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.9.4
Elektrischer Widerstand Strom-Spannungs-Kennlinie Nichtlineare passive Zweipole Widerstandsberechnung eines Leiters Temperaturabhängigkeit des Widerstandes
15 16 19 23 24
2.10 2.10.1 2.10.2
Elektrische Quelle Spannungsquelle Stromquelle
28 28 32
2.11 2.11.1 2.11.2 2.11.3 2.11.4
Elektrische Energie und elektrische Leistung, Wirkungsgrad Elektrische Energie Elektrische Leistung Wirkungsgrad Leistungsanpassung
34 34 35 36 37
VIII
Inhalt
3
Berechnung von Netzwerken
41
3.1 3.1.1 3.1.2
Knoten- und Maschensatz Knotensatz Maschensatz
41 41 42
3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5
Schaltung von ohmschen Widerständen Reihenschaltung Parallelschaltung Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen Stern-Dreieck-Umwandlung Rekursives Berechnungsverfahren
44 44 46 48 58 62
3.3 3.3.1 3.3.2
Reihen- und Parallelschaltung von Quellen Reihenschaltung Parallelschaltung
63 63 65
3.4 3.4.1
Netzwerkberechnung mittels Knoten- und Maschensatz Aufstellen der Knoten- und Maschengleichungen
69 69
3.5 3.5.1 3.5.2
Maschenstromverfahren Maschenstromverfahren bei Netzwerken ohne Stromquellen Maschenstromverfahren bei Netzwerken mit Stromquellen
74 75 77
3.6 3.6.1 3.6.2
Knotenpotenzialverfahren Knotenpotenzialverfahren bei Netzwerken ohne Spannungsquellen Knotenpotenzialverfahren bei Netzwerken mit Spannungsquellen
Elektrostatisches Feld Merkmale des elektrostatischen Feldes
126 126
Inhalt 4.3.2 4.3.3
LX
4.3.4 4.3.5
Elektrischer Verschiebungsfluss und elektrische Verschiebungsdichte Zusammenhang zwischen elektrischer Verschiebungsdichte und elektrischer Feldstärke Überlagerung von Potenzialfeldern Durchschlagfeldstärke
130 132 134 137
4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4
Kapazitäten Definition der Kapazität Kapazitäten einiger Kondensatoren Leitungskapazitäten Nichtlineare Kapazität und Temperaturabhängigkeit
139 139 140 143 145
4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4
Schaltung von Kondensatoren Parallelschaltung von Kondensatoren Reihenschaltung von Kondensatoren Gemischte Schaltung von Kondensatoren Geschichtete Dielektrika
146 146 147 153 155
4.6 4.6.1 4.6.2
Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld Energie im elektrostatischen Feld Kräfte im elektrostatischen Feld
162 162 163
4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3
Schaltvorgänge im Gleichstromkreis Ladevorgang bei einer Kapazität Entladevorgang bei einer Kapazität Umladung bei Kapazitäten
165 165 171 174
5
Stationäres magnetisches Feld
179
5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7
Grundbegriffe Elektrische Durchflutung Magnetische Feldstärke Magnetische Spannung Magnetischer Widerstand und Leitwert Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte Analogie zwischen den elektrischen Feldern und dem magnetischen Feld Magnetische Ersatzschaltbilder
179 181 182 184 185 186 187 188
5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6
Berechnung magnetischer Felder in nichtferromagnetischen Stoffen Feld eines geraden, langen Leiters mit kreisförmigem Querschnitt Feld eines geraden, langen Hohlleiters Feld einer langen Zylinderspule Feld einer Ringspule Feld einer geraden, langen Koaxialleitung Gesetz von Biot-Savart
189 189 192 193 194 196 197
5.3
Überlagerung magnetischer Felder
200
5.4 5.4.1
Berechnung magnetischer Felder in ferromagnetischen Stoffen Verhalten der Materie im magnetischen Feld
205 205
X
Inhalt
5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5
Feldgrößen an Materialübergängen Magnetische Streuung Berechnung unverzweigter und verzweigter magnetischer Kreise Dauermagnetkreis
Induktionsgesetz Festlegung der Zählpfeile Verkettungsfluss Bewegter Leiter in einem magnetischen Feld Induktionsgesetz in allgemeiner Form Induzierte elektrische Feldstärke und Spannung Induktion durch Flächenänderung Induktion durch Änderung der magnetischen Flussdichte Induktion durch Flächenänderung und zeitliche Änderung der magnetischen Flussdichte
233 233 234 235 239 241 244 253
6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4
Selbstinduktion Induktivität Berechnung der Induktivität verschiedener Spulen und Leiteranordnungen Zweipoldarstellung einer Induktivität Zusammenschaltung von Induktivitäten
259 261 261 270 271
6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3
Schaltvorgänge im Gleichstromkreis Kurzschließen einer stromdurchflossenen Induktivität Einschalten einer Induktivität Ausschalten einer Induktivität