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Über dieses Buch

Die dreibändige Einführung in die Elektrotechnik und Elektronik hilft, die Elektrotechnik als ein Gesamtgebiet zu begreifen, das nach einheitlichen Prinzipien beschrieben werden kann.

Band 1 behandelt stationäre Vorgänge in elektrischen Netzwerken, Verfahren der Netzwerkberechnung sowie Methoden der Schaltungssimulation mit verschiedenen Werkzeugen.

Band 2 umfasst elektrische Erscheinungen in räumlichen Leitern und Nichtleitern, die Grundgesetze des Strömungsfeldes sowie des elektrostatischen und magnetischen Feldes einschließlich der Induktion. Der Bezug zwischen elektromagnetischen Feldern und konzentrierten Bauelementen wird hergestellt. Es werden Energie und Kraftwirkung in elektromagnetischen Feldern diskutiert, insbesondere der Zusammenhang zwischen Feld- und mechanischer Energie. Die wachsende Bedeutung der Mechatronik findet ihren Niederschlag in der gemeinsamen Modellierung und Beschreibung mechanischer und elektrischer Systeme. Grundideen dazu werden vorgestellt.

In der Neuauflage wurde die Darstellung des elektrostatischen und magnetischen Feldes verbessert sowie engere Bezüge zur theoretischen Elektrotechnik und damit fortgeschrittenen Lehrveranstaltungen hergestellt.

In Band 3 werden zeitveränderliche Vorgänge in Schaltungen sowie die Wechselstromrechnung und Transformationen in den Bildbereich besprochen. Verstärkungsbegriff, Rückkopplung und Stabilität sind ebenso enthalten wie stückweise fallende Kennlinien in Schaltungen.

Das Buch wendet sich an Studierende der Elektrotechnik und Elektronik in Bachelor- und Master-Studiengängen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Das elektrische Feld

Zusammenfassung
Der Übergang vom Gleichstromkreis und seinen Elementen zu Modellen elektrischer Strömungsfelder gelingt am anschaulichsten durch Einführung der Begriffe Feldstärke E, Potential und Stromdichte J im homogenen Strömungsfeld eines stromdurchflossenen linienhaften Widerstandes. Von diesem Feld ist der Übergang zum inhomogenen Strömungsfeld dann sehr einsichtig. Im nächsten Schritt werden die Kirchhoff’schen Sätze und das ohmsche Gesetz des Strömungsfeldes formuliert und die Grenzflächenbedingungen sowie seine Haupteigenschaften, die Quellen- und Wirbelfreiheit, betrachtet. Mit den Beziehungen zwischen Integral- und Feldgrößen sowie den unterschiedlichen Leitungsmechanismen in Strömungsfeldern schließt der Abschnitt.
Steffen Paul, Reinhold Paul

Kapitel 2. Das elektrostatische Feld, elektrische Erscheinungen in Nichtleitern

Zusammenfassung
Das elektrostatische Feld entsteht durch ruhende Ladungen auf Elektroden im Dielektrikum oder Nichtleiter. Seine Feldgrößen sind Feldstärke E und Verschiebungsdichte D, die über die Dielektrizitätskonstante \(\epsilon \) als Materialgröße zusammenhängen. Von den Ladungen gehen Feldlinien aus und enden auf ihnen. Neben Feldstärke und Verschiebungsfluss als lokale Feldgrößen gibt es Spannung U, Potential \(\varphi \) und Verschiebungsfluss \(\Psi \) als globale Feldgrößen, wobei letztere identisch ist mit der umfassten Ladung der Elektrode, von der er ausgeht bzw. endet. Die Verknüpfung zwischen Spannung und Ladung ist die Kapazität und der zugehörige Zweipol heißt Kondensator. Ändert sich die Elektrodenladung zeitlich durch einen zu- oder abgeführten Strom, so setzt sich die Ladungsänderung durch das Influenzprinzip als Verschiebungsstrom im Dielektrikum fort (nachweisbar durch das umgebende Magnetfeld). Am Kondensator bewirkt dieser Vorgang den Zusammenhang zwischen Strom und zeitlicher Spannungsänderung. Merkmal des Kondensators ist die Fähigkeit zur Ladungs- und damit Energiespeicherung durch die Energiespeicherfähigkeit des elektrostatischen Feldes.
Steffen Paul, Reinhold Paul

Kapitel 3. Das magnetische Feld

Zusammenfassung
Ursache magnetischer Felder sind stationäre und zeitlich veränderlich bewegte Ladungen in und außerhalb von Leitern (im Strömungsfeld und elektrischen Leitern, als Verschiebungsstrom im Nichtleiter) sowie durch Permanentmagnete. Damit unterscheiden sich die vom Magnetfeld ausgeübten Kraftwirkungen von den Coulomb’schen Kräften zwischen ruhenden Ladungen im elektrostatischen Feld.
Feldgrößen des magnetischen Feldes sind Flussdichte B und magnetische Feldstärke, beide verknüpft in linearen magnetischen Medien über die Permeabilität \(\mu \). Die magnetische Flussdichte wird über die Kraft (Lorentzkraft) auf bewegte Ladungen begründet, die Feldstärke durch den umfassten Strom nach dem Durchflutungssatz. Dazu gehören die integralen Größen magnetischer Fluss \(\phi \) und die magnetische Spannung V, beide verknüpft über den magnetischen Kreis mit dem magnetischen Widerstand \(R_m\) (im Linearfall). Mit dem Durchflutungssatz kann die magnetische Feldstärke für einfache symmetrische Leiteranordnungen leicht bestimmt werden.
Besondere Bedeutung für magnetische Kreise haben Ferromagnetika mit hoher Permeabilität und nichtlinearem B(H) Zusammenhang sowie Hystereseverhalten mit Schlussfolgerungen für den magnetischen Kreis.
Während ein zeitlich konstanter Strom nur ein umwirbelndes zeitkonstantes Magnetfeld erzeugt, entsteht bei zeitveränderlichem magnetischem Feld (durch Strom- oder Ortsänderung oder Ruhe- bzw. Bewegungsinduktion) eine induzierte Spannung nach dem Induktionsgesetz. Wirkt die induzierte Spannung auf den ursächlichen elektrischen Kreis zurück (Lenz’sche Regel), so liegt Selbstinduktion vor und zwischen dem felderregenden Strom und magnetischen Fluss der Spule lässt sich eine (Selbst-) induktivität vereinbaren. Wird die Spannung in einer benachbarten Zweitspule induziert, so liegt Gegeninduktion vor (genutzt im Transformator).
Steffen Paul, Reinhold Paul

Kapitel 4. Energie und Leistung elektromagnetischer Erscheinungen

Zusammenfassung
Elektrostatische und magnetische Felder können Energie speichern (im Gegensatz zum Strömungsfeld). Deshalb wird die beim Feldaufbau zugeführte Energie (also Leistungsaufnahme) beim Energieabbau wieder abgegeben. Zu diesem Energiespiel gehört eine Bilanzgleichung für das von der Energie erfasste Raumgebiet. Für den Grundstromkreis beispielsweise lässt sich so der Energietransport von einer Spannungsquelle über eine Verbindungsleitung zum Verbraucherzweipol als Energiestrom des elektromagnetischen Feldes erklären.
Besondere Bedeutung hat die wechselseitige Umwandlung zwischen elektromagnetischer und mechanischer Energie. Dazu zählen Kräfte auf ruhende Ladungsträger im elektrischen Feld sowie Spannungen an Grenzflächen. Entsprechende Vorgänge gibt es im magnetischen Feld. Sie finden wegen der größeren Kräfte breite Anwendung z. B. in Motoren und Hubmagneten. Auf solchen Energiewandlungen beruhen auch zeitveränderliche Kondensatoren und Induktivitäten.
Steffen Paul, Reinhold Paul

Kapitel 5. Elektromechanische Aktoren

Zusammenfassung
Aktoren wandeln Energie verschiedener Formen in mechanische Energie. Sie nutzen die erzeugten Kräfte und Momente zur Realisierung von Stellvorgängen. Besonders wichtig sind elektrische Aktoren auf magnetischer Grundlagen wegen der größeren Kraftwirkungen. Dazu zählen neben den Hubmagneten vor allem die unterschiedlichen Motortypen für Gleich-, Wechsel- und Drehstrom sowie Schrittmotoren für rotatorische Bewegungen. Deutlich gestiegen ist auch der Einsatz von Linearmotoren, deren Konzept sich direkt aus dem Rotationsprinzip ableitet.
Steffen Paul, Reinhold Paul

Kapitel 6. Analogien zwischen elektrischen und nichtelektrischen Systemen

Zusammenfassung
Durch Analogien gelingt es, die physikalischen Grundgesetze elektrischer Netzwerke und ihrer mathematischen Methoden auf andere Teilgebiete der Physik zu übertragen und so physikalische Netzwerke einzuführen. Ihre Variablen sind dann allgemeine Fluss- und Differenz- oder Potentialgrößen. Erhalten bleiben die Kontinuitätsbeziehungen (Knoten-, Erhaltungssatz), der Energiesatz und die Ansätze für Netzwerkelemente. So gibt es Widerstände, Energiespeicher, Quellen, Übertrager und Wandler. Die Zuordnung zwischen elektrischen und nichtelektrischen Differenz- und Flussgrößen bestimmt die Analogie. Dominante Bedeutung haben elektrostatische, elektromagnetische und elektrodynamische Wandler. Durch eine elektrisch-thermische Analogie lässt sich auch die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme veranschaulichen.
Steffen Paul, Reinhold Paul

Backmatter

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