Elektrotechnik anschaulich und leicht verständlich

Im Abschnitt Einleitung werden wesentliche Grundlagen als Fundament für die in den Folgekapiteln behandelten Schwerpunkte aufgeführt. Die Inhalte der Schulmathematik werden jedoch vorausgesetzt. In diesem Kapitel werden wesentliche Begriffe erläutert, vom einfachen Atomaufbau über Notationen bis hin zu wichtigen Konventionen. Anhand der Analogie zu einem Wassermodell wird zudem vereinfacht dargestellt, wie elektrischer Strom eigentlich fließen kann. Aufgrund der vielen Übungsaufgaben wird stets großer Wert auf den Umgang mit Einheiten und die entsprechenden mathematischen Umformungen gelegt. Bei der Bearbeitung der Aufgaben wird empfohlen, weitestgehend auf den Taschenrechner zu verzichten.

Die Gleichstromlehre beschäftigt sich überwiegend mit elektrischen Strömen und Spannungen, die sich nicht zeitlich verändern, also konstant sind. Sie umfasst Grundkonzepte wie das Ohmsche Gesetz, die Kirchhoffschen Gesetze und Serien- sowie Parallelschaltungen von Widerständen. Die Analyse von Gleichstromkreisen erfolgt oft durch Anwendung dieser Gesetze, um Strom, Spannung oder Leistung zu berechnen und elektrische Schaltungen zu entwerfen oder zu verstehen. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen behandelt und mit Übungsaufgaben gestützt sowie die Parallelen anhand eines einfachen Wassermodells gezeigt.

Die Elektrostatik, die zur theoretischen Elektrotechnik (auch Feldtheorie) zählt, beschäftigt sich mit ruhenden elektrischen Ladungen und den Kräften, die zwischen ihnen wirken. Grundlegend sind positive und negative Ladungen, die sich gegenseitig anziehen, während sich gleichartige Ladungen abstoßen. Die elektrische Ladung ist eine wichtige Eigenschaft jeglicher Materie, die durch das Fehlen oder durch den Überschuss von Elektronen verursacht wird. Eine elektrische Ladung erzeugt ein elektrisches Feld, das den Raum um die Ladung herum durchdringt und andere Ladungen beeinflusst. Je stärker die Ladung, desto stärker das elektrische Feld. Das Feld wirkt wiederum auf andere Ladungen und übt Kräfte auf sie aus, wodurch Bewegungen oder Veränderungen in ihrem Ladungszustand hervorgerufen werden können. Insbesondere in technischen Anwendungen nutzen Kondensatoren die Prinzipien der Elektrostatik. Sie werden z. B. für elektrische Filter oder als Energiespeicher verwendet. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen behandelt und mit Übungsaufgaben gestützt.

Die Magnetostatik beschäftigt mit der Beschreibung magnetischer Felder, die durch zeitlich konstante Ströme erzeugt werden. Sie betrachtet speziell statische (also zeitlich unveränderliche) magnetische Felder und sie ist, wie die Elektrostatik, ein Teilgebiet der theoretischen Elektrotechnik (Feldtheorie). In der Praxis werden magnetische Felder jedoch durch verschiedene magnetische Materialien (durch die sog. Permeabilität) beeinflusst. Dies wird hauptsächlich in sogenannten Spulen, mit der Kenngröße Induktivität, genutzt. Die Magnetostatik bildet die Grundlage für viele Anwendungen, wie z. B. Elektromagnete, Transformatoren oder Elektromotoren. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen behandelt und mit Übungsaufgaben gestützt.

Die Wechselstromlehre befasst sich mit elektrischen Strömen und Spannungen, die periodisch ihre Richtung und Stärke ändern. Im Gegensatz zum Gleichstrom, bei dem die Spannung und der Strom konstant sind

, variiert der Wechselstrom in sinusförmiger, rechteckiger oder anderer periodischer Form, siehe auch Kap. 7. Das Besondere ist, dass Bauteile ganz verschieden auf Wechselgrößen, in Abhängigkeit der Frequenz, reagieren. Hier kommt der Begriff der Impedanz ins Spiel. Die Impedanz (auch Wechselstromwiderstand) einer Schaltung ist eine erweiterte Form des Widerstandes, die sowohl den ohmschen Widerstand, als auch frequenzabhängige Einflüsse von Spulen und Kondensatoren berücksichtigt. In der Praxis sind Wechselgrößen z. B. bei der Übertragung von Energie (Hochspannungsleitung), in Transformatoren, in elektronischen Schaltungen oder in der Nachrichtentechnik von großer Bedeutung. In diesem Abschnitt werden insbesondere die Grundlagen von harmonischen Wechselgrößen behandelt und mit Übungsaufgaben gestützt sowie einführend die Parallelen anhand eines einfachen Wassermodells gezeigt.

Bisher wurden reine Gleichspannungen bzw. -ströme oder harmonische Wechselgrößen betrachtet. In der Elektrotechnik spielen jedoch viele weitere Spannungsverläufe eine wichtige Rolle, da sie z. B. für (periodische) Ein- und Ausschaltvorgänge, für Positioniervorgänge in der Automatisierungstechnik oder für elektronische Schaltungen benötigt werden. Diese weiteren Verläufe müssen auf der einen Seite erzeugt und auf der anderen Seite auch analysiert werden. Hierbei sind die Fourier-Analyse sowie die Fourier- und die Laplace-Transformation wesentliche mathematische Werkzeuge, die Spannungsverläufe zu beschreiben und zu analysieren. Während die Fourier-Transformation z. B. dazu verwendet wird, zeitabhängige, stationäre Spannungsverläufe in ihre Frequenzkomponenten zu zerlegen, dient die Laplace-Transformation u. a. der Analyse instationärer Verläufe. Das vorliegende Kapitel soll lediglich in die Thematik einführen, sodass auf eine ausführliche Darstellung und auf Übungsaufgaben verzichtet wird.

Bisher wurde großer Wert auf die Berechnung elektrotechnischer Aufgaben gelegt, das relevante Fachwissen und die Zusammenhänge wurden in den Übungsaufgaben nicht abgefragt. Die Erfahrung zeigt aber, dass das eigentliche Verständnis der Elektrotechnik beim Lösen der Aufgabenstellungen erworben oder vertieft wird. Im folgenden Kapitel „Kurzfragen“ können die Schwerpunkte der voran gegangenen Kapitel zur Selbstkontrolle nun überprüft werden. Durch Beantworten der Multiple-Choice-Fachfragen gibt es die Möglichkeit, das Gelernte aktiv abzurufen und evtl. Lücken zu identifizieren. Es ist jedoch zu beachten, dass die Liste der aufgeführten Fragen nur eine kleine Auswahl darstellt und nicht den gesamten Inhalt abbildet.