Elektrotechnik zum Selbststudium

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. 1. Physikalische Größen und Einheiten

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel werden mit der Betrachtung physikalischer Größen und Größengleichungen die Grundlagen für eine mathematische Beschreibung der Naturwissenschaft gelegt. Insbesondere wird das SI-Einheitensystem vorgestellt.

3. 2. Physikalische Grundlagen elektrischer Schaltungen

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   Ausgehend von einem einfachen Stromkreis werden in diesem Kapitel die physikalischen Grundlagen der Elektrotechnik bereit gestellt. Ausgehend von Kraftwirkungen werden zunächst elektrische Ladungen und der elektrische Strom betrachtet. Anschließend werden insbesondere die physikalischen Größen Spannung, Energie und Leistung vorgestellt. Für die systematische Analyse elektrischer Schaltungen werden abschließend das Erzeuger- und Verbraucherpfeilsystem angewendet.

4. 3. Lineare und nichtlineare Eintore

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   Aufbauend auf den im vorangegangenen Kapitel vorgestellten physikalischen Größen werden in diesem Kapitel Eintore und deren Anwendungen betrachtet. Vorgestellt werden lineare und nichtlineare Eintore, speziell der Ohmsche Widerstand. Außerdem wird gezeigt, welche Eintore aktiv und passiv wirken. Im Rahmen der Temperaturabhängigkeit leitender Medien wird das Phänomen der Supraleitung vorgestellt.

5. 4. Kirchhoffsche Sätze

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel werden mit dem Knoten- und Maschensatz die wichtigsten Methoden für die Berechnung elektrischer Schaltungen vorgestellt und für eine Parallel- und Reihenschaltung angewendet. Speziell wird die Messbereichserweiterung von Strom- und Spannungsmessern behandelt.

6. 5. Gleichstromschaltungen

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   Mit diesem Kapitel wird die Berechnung von Gleichstromschaltungen abgeschlossen. Es werden Ersatzschaltungen von Eintorschaltungen mit und ohne unabhängige Quellen vorgestellt. Mit einem grafisches Verfahren wird der Arbeitspunkt bei bekannter Quellen- und Lastkennlinie bestimmt. Vor- und Nachteile der Leistungsanpassung und Anwendungsbeispiele werden behandelt. Abschließend werden die neuen Methoden für die Anwendungsfälle Spannungsteiler und Brückenschaltung angewendet.

7. 6. Homogenes und zeitkonstantes Strömungsfeld

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   Mit diesem Kapitel verlassen wir zunächst die elektrischen Schaltungen und betrachten elektrische Felder. Wir beginnen mit dem Strömungsfeld, weil es für Lernende am anschaulichsten ist und einen starken Bezug zu den elektrischen Schaltungen hat. Wir „schauen“ in leitende Gebiete hinein und bestimmen ausgehend von den Feldgrößen Stromdichte und Feldstärke den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung eines Leiters. Um den mathematischen Aufwand minimal zu halten, beschränken wir uns in diesem Kapitel auf homogene und zeitkonstante Strömungsfelder. Somit können Sie sich zunächst auf die physikalischen Eigenschaften konzentrieren.

8. 7. Homogenes elektrostatisches Feld

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   Aufbauend auf den im vorangegangenen Kapitel vorgestellten Eigenschaften elektrischer Strömungsfelder werden nun homogene elektrostatische Felder betrachtet. Hierbei gibt es keine Ladungsträgerbewegung, so dass die elektrische Stromdichte stets null ist. Als neue Feldgröße wird die elektrische Flussdichte vorgestellt. Zusammen mit der elektrischen Feldstärke wird der Zusammenhang zwischen Ladung und Spannung bei einem Kondensator und die gespeicherte elektrische Energie bestimmt.

9. 8. Homogenes und zeitkonstantes magnetisches Feld – Grundlagen

   Uwe Meier, Oliver Stübbe

   Zusammenfassung

   Nachdem Sie in den vorangegangenen beiden Kapiteln elektrische Felder kennen gelernt haben, werden nun magnetische Felder grundlegend betrachtet. Ausgehend von magnetischen Kraftwirkungen werden zunächst bewegte elektrische Ladungen als Ursache magnetischer Felder festgestellt. Danach werden die magnetischen Feldgrößen Flussdichte und Feldstärke bezüglich Berechnung und Anwendung vorgestellt. Abschließend werden die Zylinder- und Kreisringspule behandelt. Um den mathematischen Aufwand zu minimieren, beschränken wir uns in diesem Kapitel auf homogene und zeitkonstante magnetische Felder.

10. 9. Homogenes und zeitkonstantes magnetisches Feld – Anwendungen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel werden technische Anwendungen magnetischer Felder betrachtet. Zunächst werden die Permeabilität zur Beschreibung magnetischer Stoffe und die Grenzbedingungen der magnetischen Feldgrößen vorgestellt. Als technische Anwendung werden damit magnetische Kreise dimensioniert. Abschließend wird der Zusammenhang zwischen magnetischer Energie und Induktivität betrachtet und die starke Kraftwirkung auf magnetische Pole hergeleitet.

11. 10. Schaltungen mit zeitabhängigen Quellen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel betrachten wir Schaltungen mit zeitabhängigen Quellen. Dabei beschränken wir uns auf quasistationäre Vorgänge. Es wird gezeigt, welche Schaltungsgesetze von den Gleichstromschaltungen übernommen werden können. Danach wird das Verhalten energiespeichernder Eintore an zeitabhängigen Quellen betrachtet. Als spezielle zeitabhängige Größen werden abschließend periodische Schwingungen behandelt, insbesondere Sinusschwingungen.

12. 11. Komplexe Wechselstromrechnung

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel wird die komplexe Wechselstromrechnung vorgestellt. Damit können lineare Schaltungen mit Sinusquellen vorteilhaft analysiert werden. Sie lernen die komplexen Größen Spannung, Strom, Widerstand und Leitwert kennen und wenden diese Größen zunächst auf die Grundeintore an. Mit dem komplexen Maschen- und Knotensatz werden anschließend die Reihen- und Parallelschaltung betrachtet.

13. 12. Lineare Schaltungen mit Sinusquellen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel wird zunächst die komplexe Leistung vorgestellt. Anschließend werden die bereits bei den Gleichstromschaltungen behandelten Themen Ersatzschaltungen und Leistungsanpassung für lineare Schaltungen mit Sinusquellen betrachtet. Abschließend werden die Gebiete Blindleistungskompensation, Resonanz und Widerstandstransformation vorgestellt.

14. 13. Drehstrom, Dreiphasensysteme

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    Als Fortsetzung des vorherigen Kapitels werden sogenannte Dreiphasen- bzw. Drehstromsysteme betrachtet. Zunächst werden Drehstromquellen und anschließend symmetrische und unsymmetrische Lastfälle betrachtet. Die wichtigen Schaltungsarten sind die Stern- und Dreieckschaltung. Drehstromsysteme sind für die Energieversorgung und die elektrische Antriebstechnik wichtig. Daher wird insbesondere die Berechnung und Messung von Leistungen behandelt.

15. 14. Lineare Zweitore

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel werden lineare Zweitorschaltungen betrachtet. Es wird gezeigt, unter welchen Bedingungen eine Zweitorbeschreibung mit linearen Gleichungen und daraus abgeleiteten Zweitorparametern möglich ist. Die Zweitorparameter werden mit geeigneten Ersatzschaltungen physikalisch interpretiert und bezüglich der Zweitoreigenschaften charakterisiert. Hierbei werden gesteuerte Quellen vorgestellt. Als Anwendung wird ein Übertragungssystem vorgestellt und mit Kenngrößen beschrieben. Abschließend wird als Beispiel der Frequenzgang eines Tiefpass-Filters betrachtet.

16. 15. Analyse linearer Schaltungen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    Bei einer Schaltungsanalyse werden die Spannungen und Ströme einer Schaltung berechnet. Umfangreiche Schaltungen erfordern ein systematisches Vorgehen und zweckmäßig die Verwendung von Computern. Dazu werden in diesem Kapitel zunächst die strukturellen Eigenschaften einer Schaltung betrachtet. Anschließend wird mit dem Knotenpotenzialverfahren das bekannteste rechnerbasierte Analyseverfahren vorgestellt. Mit dem Überlagerungssatz und Eintor-Ersatzschaltungen werden zwei geeignete Verfahren vorgestellt, wenn nur ein Strom oder eine Spannung bestimmt werden sollen. Wir beschränken uns in diesem Kapitel auf die Analyse linearer Schaltungen.

17. 16. Zeitkonstante elektrische Felder

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In den Kapiteln 6 und 7 wurden bereits elektrische Felder betrachtet. Bei der Berechnung haben wir uns auf abschnittsweise homogene und zeitunabhängige Felder beschränkt. Innerhalb eines Raumgebiets sind die Feldgrößen zeitlich und räumlich konstant. In diesem Kapitel betrachten wir inhomogene elektrische Felder, die zunächst weiterhin zeitlich konstant sind. Als räumliche Einschränkung setzen wir eine symmetrische Feldverteilung voraus. Wir werden in diesem Kapitel somit nicht alle inhomogenen Felder berechnen können. Im Gegensatz zu abschnittsweise homogenen Feldern sind die Feldgrößen bei inhomogenen Feldern ortsabhängig. Für die Berechnung ist es erforderlich, dass die in den Kapiteln 6 und 7 angewendete Summenbildung durch die Integralrechnung ersetzt wird.

18. 17. Zeitkonstante magnetische und elektromagnetische Felder

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    Ergänzend zu Kapitel 16 werden in diesem Kapitel zunächst inhomogene magnetische Felder mit symmetrischen Feldverteilungen behandelt. Werden magnetische Felder von stromdurchflossenen Leitern erzeugt, so entsteht auch ein elektrisches Feld. Zusammenfassend spricht man von einem elektromagnetischen Feld. Mit Hilfe des Poynting-Vektors wird der Energietransport in einem elektromagnetischen Feld betrachtet. Abschließend werden die Grundgleichungen zeitunabhängiger elektrischer und magnetischer Felder vergleichend gegenübergestellt und die Berechnung symmetrischer Felder zusammengefasst.

19. 18. Zeitabhängige elektromagnetische Felder – Grundlagen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In den Kapiteln 16 und 17 haben wir inhomogene Felder betrachtet, die zeitlich konstant waren. Das Lernziel war im Wesentlichen der sichere Umgang mit Integralgleichungen zur Berechnung inhomogener Felder. Die Kapitel 18 und 19 widmen sich den zeitabhängigen elektrischen und magnetischen Feldern. In diesem Kapitel stellen wir zunächst den Verschiebungsstrom vor. Anschließend lernen Sie mit der Induktion ein neues physikalisches Prinzip kennen, das die Grundlage elektromagnetischer Maschinen bildet.

20. 19. Zeitabhängige elektromagnetische Felder – Anwendungen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    Dieses Kapitel betrachtet zunächst mit dem Transformator bzw. Übertrager die Anwendung der im vorherigen Kapitel vorgestellten Ruheinduktion. Anschließend wird das System der Maxwellschen Gleichungen vorgestellt.

21. 20. Fourier-Reihen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel wird die Analyse und Synthese von nichtsinusförmigen periodischen Funktionen mit Hilfe von Fourier-Reihen betrachtet. Zunächst wird die reelle Fourier-Reihe behandelt und anschließend die komplexe aus der reellen Fourier-Reihe hergeleitet. Als zusätzliches Hilfsmittel wird die Fourier-Transformation von Impuls-Funktionen vorgestellt. Hiermit können die Fourier-Koeffizienten von Puls-Funktionen vorteilhaft bestimmt werden. Dafür sind im Anhang die Fourier-Transformierten wichtiger Impuls-Funktionen dargestellt. Außerdem wird erläutert, wie sich die Fourier-Koeffizienten bei einer zeitlichen Verschiebung der Puls-Funktion ändern.

22. 21. Nichtsinusförmige periodische Schwingungen

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Kapitel wird zunächst die Wirkleistung von nichtsinusförmigen periodischen Funktionen mit Hilfe der Fourier-Reihe bestimmt. Anschließend werden der Grundschwingungsgehalt und der Klirrfaktor als charakteristische Größen vorgestellt, um die Abweichung einer nichtsinusförmigen von einer sinusförmigen Puls-Funktion zu beschreiben. Abschließend werden lineare und nichtlineare Verzerrungen und deren Auswirkungen auf die Spektren betrachtet. Als Idealfall wird die verzerrungsfreie Übertragung und deren Beschreibung mit Hilfe des Übertragungsfaktors besprochen.

23. 22. Transiente Vorgänge

    Uwe Meier, Oliver Stübbe

    Zusammenfassung

    In diesem Abschnitt wird der zeitliche Übergang einer Schaltung oder eines Systems zwischen zwei Zuständen betrachtet. Hierfür werden die alternativen Bezeichnungen Übergangsvorgang, transienter Vorgang oder Schaltvorgang verwendet. Wenn Energiespeicher vorhanden sind, kann die Änderung ihrer Zustandsgrößen nicht beliebig schnell erfolgen, sondern nur innerhalb eines Zeitintervalls. Die Berechnung transienter Vorgänge erfolgt in diesem Kapitel mit Differenzialgleichungen. Zunächst werden Ausschaltvorgänge und anschließend Einschaltvorgänge betrachtet.

24. Backmatter