Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Das Buch „Der Moeller“ ist ein seit acht Jahrzehnten bewährtes und kontinuierlich weiterentwickeltes Standardwerk für die Ausbildung von Elektroingenieuren an Universitäten und Fachhochschulen. Er vermittelt in einem Band fundiert alle Grundlagen der Elektrotechnik - von den Gleichstromnetzwerken über die Wechsel- und Drehstromtechnik bis zum elektromagnetischen Feld. Darüber hinaus werden nichtsinusförmige Vorgänge behandelt sowie die verschiedenen elektrischen Leitungsmechanismen samt Anwendungen in elektronischen Bauelementen - von der Solarzelle bis zum IGCT. Die Arbeit mit dem Buch wird durch seinen klar strukturierten Aufbau, eine Vielzahl praxisnaher Beispielaufgaben und den Farbdruck bei vielen Abbildungen unterstützt.n und Schwingkreise. - Mehrphasensysteme. - Nichtsinusförmige Ströme und Spannungen. - Elektrische Leitungsmechanismen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Grundbegriffe

Zusammenfassung
Technik1 ist die praktische Nutzbarmachung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse. Die Elektrotechnik beschäftigt sich mit der Anwendung elektrischer und magnetischer Phänomene. Zur Beschreibung der Zusammenhänge wird eine Vielzahl von Begriffen, Größen und Einheiten benötigt, deren Charakter und Darstellungsformen im Folgenden zunächst vorgestellt werden.
Danach werden die elektrischen Grundgrößen wie Strom und Spannung sowie fundamentale Begriffe der Elektrotechnik eingeführt. Abschließend werden die zur formal korrekten Darstellung vieler elektrotechnischer Zusammenhänge unerlässlichen Zählpfeilsysteme erläutert, die einen wesentlichen Unterschied zwischen der Fachdidaktik der Elektrotechnik und der Fachdidaktik der Physik darstellen. Damit wird die formale Grundlage für die Vermittlung des Lehrstoffs der nachfolgenden Kapitel geschaffen.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 2. Gleichstromnetzwerke

Zusammenfassung
Ein Gleichstromnetzwerk ist ein elektrisches Netzwerk, in dem alle Spannungen und Ströme zeitlich konstant (zeitinvariant) sind.
Gleichstromnetzwerke sind aus den elementaren Zweipolen der Gleichstromtechnik aufgebaut:
  • elektrischer Widerstand
  • elektrische Spannungsquelle
  • elektrische Stromquelle.
Der Begriff der Gleichstromnetzwerke schließt durchaus die Behandlung von Netzwerken ein, bei denen die Eigenschaften eines oder mehrerer Zweipole variabel sind. Dann sind gedanklich nacheinander mehrere Varianten des Netzwerks zu betrachten, von denen jede zeitlich konstante Eigenschaften aufweist.
Die für beliebige Netzwerke gültigen Begriffe, Gesetzmäßigkeiten und Verfahren sind für den Spezialfall der Gleichstromnetzwerke besonders einfach mathematisch zu formulieren und auszuwerten. Daher ist es zur Vermittlung von Verständnis für die fundamentalen Zusammenhänge in elektrischen Netzwerken sinnvoll, zunächst die in der Praxis weniger bedeutsamen Gleichstromnetzwerke zu betrachten. Die Kapitel 5 bis 9, in denen das Verhalten und die Berechnung von Netzwerken bei zeitlich veränderlichen (zeitvarianten) Vorgängen behandelt werden, setzen die sichere Beherrschung der hier vermittelten Inhalte voraus.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 3. Elektrisches Potenzialfeld

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die in elektrischen Leitern und Nichtleitern auftretenden wirbelfreien elektrischen Felder (Potenzialfelder) erläutert. Das in elektrischen Leitern auftretende elektrische Strömungsfeld lässt sich über die Modellvorstellung strömender Ladungsträger relativ anschaulich beschreiben. Dagegen erfordert die Betrachtung des in Nichtleitern auftretenden elektrischen Feldes abstraktere Vorstellungen, die nicht mehr an Materie gebunden sind. Dies folgt schon daraus, dass solche elektrischen Felder auch im Vakuum existieren können. Daher wird zunächst das elektrische Strömungsfeld und erst danach das elektrische Feld in Nichtleitern erläutert.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 4. Magnetisches Feld

Zusammenfassung
Das magnetische Feld wird als ein physikalischer Raumzustand betrachtet, der von relativ zum Beobachter bewegten elektrischen Ladungen verursacht wird und seinerseits Kraftwirkungen auf bewegte elektrische Ladungen ausübt. Das magnetische Feld ist hinsichtlich seines physikalischen Wesens nicht erklärbar. Seine Wirkungen oberhalb der atomaren Ebene lassen sich aber mit den in diesem Kapitel behandelten Gesetzmäßigkeiten, die auf den Maxwellschen Gleichungen beruhen, hinreichend genau beschreiben.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 5. Wechselstromtechnik

Zusammenfassung
Zur Einführung in die grundlegenden Gesetze und Verfahren zur Berechnung elektrischer Netzwerke hat sich die Gleichstromtechnik bewährt, da sie nur geringe mathematische Kenntnisse voraussetzt. In der elektrotechnischen Praxis treten Gleichströme aber kaum auf. Die Verarbeitung von durch elektrische Signale dargestellten Informationen sowie die Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Energie in elektrischer Form erfolgen fast ausschließlich mittels zeitlich veränderlicher Spannungen und Ströme. Während in der Informationstechnik nichtperiodische Signale verarbeitet werden, spielen in der Energietechnik periodische Spannungen und Ströme mit (näherungsweise) sinusförmigem zeitlichem Verlauf eine überragende Rolle.
In der Sinusstromtechnik werden Verfahren zur Berechnung von Netzwerken behandelt, in denen alle Ströme und Spannungen sinusförmig zeitveränderlich sind. (Solche Größen werden kurz als Sinusgrößen bezeichnet.) Diese Verfahren ähneln den aus der Gleichstromtechnik bekannten sehr stark, erfordern jedoch weitergehende mathematische Kenntnisse (Grundlagen der Differenzial- und Integralrechnung, Rechnen mit komplexen Größen).
Im einführenden Abschnitt 5.1 werden allgemeine periodische Zeitfunktionen behandelt. In den nachfolgenden Abschnitten dieses Kapitels werden nur noch Sinusgrößen und Sinusstromnetzwerke betrachtet.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 6. Ortskurven

Zusammenfassung
In Kapitel 5 wurden Sinusstrom-Netzwerke betrachtet. Dabei wurde vorausgesetzt, dass alle Größen, die das Verhalten des Netzwerks bestimmen wie Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten sowie die Frequenz und Amplitude der anregenden Ströme und Spannungen zeitlich konstant sind. In der Praxis ist aber häufig die Abhängigkeit der Betriebseigenschaften von einer oder mehreren dieser Größen wichtig. Beispielsweise interessiert in der Nachrichtentechnik der Einfluss der Frequenz auf die Eigenschaften einer Schaltung oder in der Energietechnik die Abhängigkeit der Spannung von der Belastung, d. h. dem Widerstand. Man betrachtet also die interessierende Größe, z. B. Spannung oder Strom, in Abhängigkeit von einer als Variable aufgefassten reellen Größe, die üblicher Weise als Parameter bezeichnet wird.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 7. Filterschaltungen und Schwingkreise

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden praktische Anwendungen der Frequenzabhängigkeit des Verhaltens einfacher Sinusstromnetzwerke (vgl. Definition am Anfang von Kapitel 5) betrachtet. Sie beruhen auf der geschickten Nutzung der Abhängigkeit der Impedanz von Kapazitäten und Induktivitäten von der Frequenz. Wie in Kapitel 5 wird stets davon ausgegangen, dass sich für jede betrachtete Frequenz das Netzwerk im eingeschwungenen Zustand befindet und es somit mittels der komplexen Rechnung analysierbar ist.
Die betrachteten Filterschaltungen (Abschnitt 7.1) und Schwingkreise (Abschnitt 7.2) spielen insbesondere in der Nachrichtentechnik eine wichtige Rolle. Sie werden dazu eingesetzt, aus Eingangssignalen, die mehrere Frequenzanteile (spektrale Komponenten) enthalten, bestimmte Anteile möglichst weitgehend zu entfernen bzw. hervorzuheben. Solche Schaltungen erzeugen also lineare Verzerrungen (Abschnitt 9.1.4.1).
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 8. Mehrphasensysteme

Zusammenfassung
Die in den Kapiteln 5 bis 7 betrachteten Schaltungen werden aus nur einer Quelle mit sinusförmiger Spannung bzw. sinusförmigem Strom gespeist. Solche Systeme nennt man einphasige Systeme. Rotierende Generatoren, die nur eine einzige spannungserzeugende Wicklung enthalten, haben aber schwerwiegende Nachteile. Diese vermeidet man, wenn man z. B. drei gleichartige Wicklungen gleichmäßig über den Umfang verteilt unterbringt, sodass drei gleich große, gegeneinander phasenverschobene Sinusspannungen erzeugt werden. Derartige Mehrphasensysteme werden in diesem Kapitel beschrieben.
An Abschnitt 8.1 werden einige neue Begriffe sowie die in Mehrphasensystemen üblichen Schaltungsarten erläutert. In Abschnitt 8.2 konzentrieren sich die Betrachtungen auf das technisch bedeutsame symmetrische Dreiphasensystem, das auch als Drehstromsystem bezeichnet wird. Hierbei werden in Stern- und Dreieckschaltung sowohl Verbraucher betrachtet, die das Dreiphasensystem gleichmäßig belasten, als auch solche, die eine ungleiche Belastung der drei Phasen verursachen.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 9. Nichtsinusförmige Ströme und Spannungen

Zusammenfassung
In den Kapiteln 5 bis 8 wird vorausgesetzt, dass die betrachteten Wechselgrößen zeitlich sinusförmig verlaufen. Die reine Sinusform tritt aber nur selten auf. Deshalb soll diese Einschränkung jetzt fallen gelassen werden. Im Folgenden werden zunächst allgemeine periodische Schwingungen und danach nichtperiodische, einmalige Vorgänge betrachtet.
Im Folgenden wird zunächst in Abschnitt 9.1 die Darstellung periodischer Vorgänge durch die Überlagerung von sinusförmigen Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen beschrieben und das Strom-Spannungs-Verhalten der Grundzweipole an nichtsinusförmiger Wechselspannung untersucht. In Abschnitt 9.2 wird der Einfluss nichtlinearer Bauelemente auf das Verhalten von Netzwerken bei sinusförmiger Anregung aufgezeigt. Schließlich werden in Abschnitt 9.3 Verfahren zur Berechnung von Schaltvorgängen behandelt.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 10. Elektrische Leitungsmechanismen

Zusammenfassung
In Abschnitt 1.2.2 ist der Mechanismus der elektrischen Strömung, die Art der den Strom repräsentierenden bewegten Ladungsträger, sowie die Einteilung der Substanzen in Leiter und Nichtleiter bereits kurz und phänomenologisch erläutert worden. In diesem Kapitel sollen, ausgehend von den physikalischen Grundgesetzen der Materie, die Leitungsmechanismen begründet und die daraus folgenden makroskopischen Gesetzmäßigkeiten entwickelt werden. Dabei werden die physikalischen Substanzen bzgl. ihres Leitfähigkeitsverhaltens in der Reihe zunehmenden Ordnungsgrades, d. h. in der Folge Vakuum-Gase-Flüssigkeiten-Festkörper betrachtet.
Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Backmatter

Weitere Informationen