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E-Book

Grundlagen der Elektrotechnik

Autor	Wolfgang Nerreter
Verlag	Carl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr	2011
Seitenanzahl	390 Seiten
ISBN	9783446426788
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	23,99 EUR

Dieses für das Studium an Hochschulen aller Art entwickelte Lehrbuch fasst die Grundlagen der Elektrotechnik in einem Band zusammen. Die wichtigen Themen werden gestrafft, ganzheitlich und anschaulich vermittelt.
Das zweifarbige Layout unterstützt den didaktischen Ansatz: Wichtiges lässt sich auf den ersten Blick erkennen. Die Inhalte werden in zwei Spalten dargestellt: In der breiten Spalte ist der Lehrtext untergebracht. Die zusätzliche schmale Spalte bietet weiterführende Informationen und Hinweise.
Die Berechnung elektrischer Schaltungen mit PSpice wird erläutert und an Beispielen gezeigt. Mathematische Berechnungen werden mit MATLAB durchgeführt, der Anhang bietet eine kurze Einführung mit zwei Beispielen. Für die 2. Auflage wurde das Buch komplett durchgesehen und aktualisiert.

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nerreter lehrte an der FH Lippe in Lemgo. Dem Fach Grundlagen der Elektrotechnik galt schon immer sein besonderes Engagement.

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Leseprobe

"Vorwort zur 2., aktualisierten Auflage (S. 5-6)

Für die Entwicklung dieses Lehrbuches, dessen 1. Auflage im August 2006 erschien, gab es mehrere Gründe; die zwei wichtigsten waren: - Die Grundlagen der Elektrotechnik sollten in einem Band zusammengefasst werden. Dies erforderte eine Konzentration des Stoffes, die vor allem unter dem Gesichtpunkt der Ordnung und der Systematik erfolgte. - Für einige Teilgebiete gibt es Software, die weitgehend anerkannt ist und Verwendung findet. Im vorliegenden Buch werden PSpice für die Schaltungssimulation sowie das Mathematik-Programm MATLAB erläutert und angewendet.

Viele Zuschriften zeigen, dass dieser letzte Gedanke richtig ist und Akzeptanz findet. In der 2. Auflage wurden einige Ergänzungen eingebracht und auch die Fehler korrigiert, auf die freundliche Leser hingewiesen hatten, denen an dieser Stelle herzlich gedankt sei. Unser Wissen ist nicht vom Himmel gefallen, sondern wurde von einer Vielzahl kluger Köpfe erarbeitet und uns als Erbschaft hinterlassen.

Die eingestreuten kurzen Hinweise mögen zu mehr Achtung vor der Wissenschaft führen und vor den Personen, die sie entwickelt haben. Diese Hinweise sollen aber keineswegs erschöpfend sein, sondern nur die Möglichkeit eröffnen, bei Interesse mehr im Internet über die Wissenschaftler zu erfahren. Die wichtigsten Fachausdrücke der Elektrotechnik werden im Text auch in englischer Sprache gebracht; dabei wird die amerikanische Schreibweise bevorzugt, da sie in Veröffentlichungen überwiegt.

Dem Carl Hanser Verlag danke ich für die gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit. Insbesondere gilt mein Dank Herrn Dr. Hermann Riedel, von dem die Initiative zu diesem Projekt ausging. Frau Dipl.-Ing. Erika Hotho danke ich für die Betreuung des Werkes zur ersten Auflage und Frau Mirja Werner M. A. zur zweiten Auflage. Weiterhin bin ich Herrn Prof. Dr. Uwe Meier, Lemgo, für viele wertvolle Hinweise und Herrn Dr. Heinrich Kalvelage, Hildesheim, für die Beratung zum Thema Elektrochemie zu Dank verpflichtet. Liebe Leserin, lieber Leser, ich würde mich freuen, wenn Ihnen das Buch gut gefällt und Sie erfolgreich damit arbeiten. Für Ihr Studium wünsche ich Ihnen viel Erfolg.

Oktober 2010
Wolfgang Nerreter"

Blick ins Buch

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 2., aktualisierten Auflage	8
Inhaltsverzeichnis	9
1 Grundbegriffe	14
1.1 Elektrischer Strom	14
1.1.1 Ladung	14
1.1.2 Ladungsträger	15
1.1.3 Ionisation	16
1.1.4 Stromkreis	17
1.1.5 Stromstärke	17
1.1.6 Stromdichte	19
1.1.7 Richtungssinn und Bezugssinn	22
1.1.8 Strommessung	22
1.2 Elektrische Spannung	23
1.2.1 Ladungstrennung	23
1.2.2 Richtungssinn und Bezugssinn	24
1.2.3 Spannungsmessung	24
1.3 Leistung und Energie	24
1.3.1 Erzeuger und Verbraucher	24
1.3.2 Leistung an einem Eintor	26
1.3.3 Wirkungsgrad	28
1.3.4 Elektrowärme	28
1.4 Elektrischer Widerstand	29
1.4.1 Der Begriff Widerstand	29
1.4.2 Das OHMsche Gesetz	30
1.4.3 Linearer Leiter	31
1.4.4 Widerstand von Isolierstoffen	32
1.4.5 Nichtlinearer Widerstand	32
1.4.6 Temperaturabhängigkeit	33
1.4.7 Supraleitung	35
1.5 Quellen	36
1.5.1 Leerlauf und Kurzschluss	36
1.5.2 Ideale Quellen	36
1.5.3 Lineare Quellen	37
2 Netze an Gleichspannung	40
2.1 Verbindung von Eintoren	40
2.1.1 Bestimmung des Arbeitspunktes	40
2.1.2 Leistungsanpassung	41
2.2 Knotensatz	42
2.2.1 Der Begriff Knoten	42
2.2.2 Knotengleichung	43
2.2.3 Parallelschaltung von Widerständen	44
2.3 Maschensatz	46
2.3.1 Maschengleichung	46
2.3.2 Potenzial	48
2.3.3 Reihenschaltung von Widerständen	49
2.4 Ersatzschaltungen	50
2.4.1 Ersatzwiderstand	50
2.4.2 Ersatzquelle	51
2.5 Überlagerungssatz	54
2.6 Zweitore	55
2.6.1 Strombedingung	55
2.6.2 Zweitorgleichungen	55
2.6.3 Berechnung der Zweitorparameter	57
2.6.4 Umwandlung der Zweitorparameter	58
2.6.5 Zweitorschaltungen	59
2.6.6 Gesteuerte Quellen	61
2.6.7 Zweitor-Ersatzschaltung	63
2.6.8 Symmetrie von Zweitoren	64
2.7 Schaltungsberechnung	65
2.7.1 Netzwerkanalyse	65
2.7.2 Knotenpotenzialverfahren	65
2.7.3 Netzwerkanalyse mit PSpice	67
2.7.4 Start mit Schematics	67
2.7.5 Gleichanalyse	68
2.7.6 Variation von Bauelementwerten	69
3 Zeitkonstante Felder	71
3.1 Elektrisches Strömungsfeld	71
3.1.1 Homogenes Feld	71
3.1.2 Inhomogenes Feld	73
3.2 Elektrostatisches Feld	77
3.2.1 Homogenes Feld	77
3.2.2 Influenz	78
3.2.3 Inhomogenes Feld	79
3.2.4 Punktladungen	80
3.2.5 Permittivität	81
3.2.6 Elektret	83
3.2.7 Kapazitive Eintore	83
3.2.8 Kondensatorschaltungen	84
3.2.9 Kapazität von Leiteranordnungen	86
3.3 Magnetisches Feld	88
3.3.1 Feldlinien von Magneten	88
3.3.2 Magnetische Flussdichte	91
3.3.3 Durchflutungsgesetz	92
3.3.4 Das Gesetz von BIOT-SAVART	95
3.3.5 Materie im Magnetfeld	96
3.3.6 Magnetische Werkstoffe	99
3.3.7 Magnetische Kreise	101
3.3.8 Magnetischer Kreis mit Dauermagnet	104
3.3.9 Kraft auf eine bewegte Ladung	106
3.4 Energietransport	108
4 Zeitabhängige Größen	110
4.1 Periodische Größen	110
4.1.1 Periodendauer und Frequenz	110
4.1.2 Gleichwert und Gleichrichtwert	111
4.1.3 Wirkleistung und Effektivwert	112
4.1.4 Verhältniszahlen	114
4.2 Sinusgrößen	115
4.2.1 Kreisfrequenz und Phasenwinkel	115
4.2.2 Kenngrößen	116
4.2.3 Zeigerdarstellung	118
4.2.4 Komplexe Symbole	118
5 Zeitabhängige Felder	120
5.1 Vorgänge im elektrischen Feld	120
5.1.1 Der Begriff Grundeintor	120
5.1.2 Kondensator an Sinusspannung	121
5.1.3 Energie eines geladenen Kondensators	122
5.1.4 Elektrische Energiedichte	123
5.1.5 Kräfte auf Kondensatorplatten	124
5.1.6 Polarisationsverluste	125
5.1.7 Piezoelektrischer Effekt	126
5.2 Vorgänge im magnetischen Feld	128
5.2.1 Induktionsgesetz	128
5.2.2 Induktion bei Drehbewegung	131
5.2.3 Ruheinduktion	132
5.2.4 Selbstinduktion	132
5.2.5 Induktivität von Leiteranordnungen	135
5.2.6 Gegenseitige Induktion	136
5.2.7 Idealer Übertrager	138
5.2.8 Energie im Magnetfeld	139
5.2.9 Verluste im Magnetfeld	141
5.2.10 Kraft auf Magnetpole	144
5.3 Elektromagnetisches Feld	146
5.3.1 MAXWELL sche Gleichungen	146
5.3.2 Induzierte Feldstärke	147
6 Netze an Sinusspannung	148
6.1 Grundeintore an Sinusspannung	148
6.1.1 Komplexer Widerstand	148
6.1.2 Grundeintor R	149
6.1.3 Grundeintor L	151
6.1.4 Grundeintor C	153
6.2 Verbindung von Grundeintoren	157
6.2.1 Reihenschaltung von R und L	157
6.2.2 Parallelschaltung von R und C	160
6.2.3 Reihenresonanz	162
6.2.4 Parallelresonanz	165
6.3 Lineare Netze	167
6.3.1 Ersatzeintor	167
6.3.2 Ersatzschaltung	168
6.3.3 Berechnungsverfahren	169
6.3.4 Resonanz	171
6.4 Netze mit Quellen	173
6.4.1 Belastung idealer Sinusquellen	173
6.4.2 Ersatzquellen	174
6.4.3 Kompensation	176
6.5 Netze mit linearen Zweitoren	178
6.5.1 Nachrichten-Übertragungssystem	178
6.5.2 Ersatzwiderstände	180
6.5.3 Anpassung	181
6.5.4 Frequenzgang	182
6.6 Ortskurven	186
6.6.1 Verbindung von Grundeintoren	186
6.6.2 Inversion	187
6.6.3 Normierung	188
6.7 Sinusanalyse	190
7 Drehstrom	193
7.1 Ströme und Spannungen	193
7.1.1 Symmetrische Größen	193
7.1.2 Drehstromerzeuger	194
7.1.3 Spannungssysteme	195
7.2 Symmetrische Belastung	197
7.2.1 Sternschaltung	197
7.2.2 Dreieckschaltung	199
7.2.3 Zeitabhängigkeit der Leistung	201
7.2.4 Drehfeld	202
7.2.5 Kompensation	204
7.3 Unsymmetrische Belastung	206
7.3.1 Sternschaltung am Vierleiternetz	206
7.3.2 Dreieckschaltung	207
7.3.3 Sternschaltung am Dreileiternetz	207
7.4 Symmetrische Komponenten	210
7.4.1 Geschlossenes Zeigerdreieck	211
7.4.2 Beliebige Lage der Zeiger	213
8 Schaltvorgänge	215
8.1 Lineare Netze	215
8.1.1 Übergangsvorgang	215
8.1.2 Schalterarten	215
8.1.3 Netz mit einem Grundeintor C	216
8.1.4 Netz mit einer Spule	220
8.1.5 Netz mit einem Schwingkreis	222
8.2 Transientanalyse	227
8.2.1 BDF-Verfahren	227
8.2.2 Durchführung der Analyse	228
9 Nichtsinusförmige Größen	232
9.1 Synthese periodischer Größen	232
9.1.1 Zeitabhängige Größen	232
9.1.2 FOURIER-Reihe	232
9.2 Harmonische Analyse	233
9.2.1 Berechnung der FOURIER-Koeffizienten	233
9.2.2 Analyse mit PSpice	236
9.3 Eigenschaften periodischer Größen	238
9.3.1 Wirkleistung	238
9.3.2 Effektivwert	240
9.3.3 Leistungsgrößen	240
9.3.4 Verzerrungsleistung	241
9.3.5 Klirrfaktor	242
9.4 Nichtperiodische Größen	243
9.4.1 Komplexe FOURIER-Reihe	243
9.4.2 FOURIER-Transformation	244
9.4.3 Eigenschaften der FOURIER-Transformation	246
10 Leitungen	247
10.1 Wellenausbreitung auf Leitungen	247
10.1.1 Leitungsarten	247
10.1.2 Leitungsparameter	247
10.1.3 Leitungsgleichungen	248
10.1.4 Verlustlose Leitung	249
10.1.5 Reflexion	250
10.1.6 Reflexionsfaktor	252
10.1.7 Verlustbehaftete Leitung	253
10.2 Leitung an Sinusspannung	254
10.2.1 Wellengleichung	254
10.2.2 Phasengeschwindigkeit	255
10.2.3 Ströme und Spannungen	257
10.2.4 Leitung als Zweitor	258
10.2.5 Natürliche Leistung	259
10.2.6 Verlustlose Leitung	260
11 Bauelemente	262
11.1 Erwärmung und Kühlung	262
11.1.1 Leistungsbilanz	262
11.1.2 Thermische Ersatzschaltung	263
11.1.3 Maximal zulässige Verlustleistung	265
11.1.4 Thermische Stabilität	267
11.2 Widerstände	271
11.2.1 Konstante Widerstände	271
11.2.2 Einstellbare Widerstände	272
11.2.3 Temperaturabhängige Widerstände	274
11.2.4 Spannungsabhängige Widerstände	275
11.3 Kondensatoren	276
11.3.1 Wickelkondensator	276
11.3.2 Verlustfaktor	276
11.3.3 Kondensatoren mit konstanter Kapazität	277
11.3.4 Spannungsabhängige Kapazität	278
11.4 Spulen	279
11.5 Dioden	280
11.5.1 Eigenschaften einer Halbleiterdiode	280
11.5.2 Das Halbleiter-Grundmaterial Silizium	281
11.5.3 Dotierung	283
11.5.4 pn-Übergang	283
11.5.5 pn-Diode	284
11.5.6 Solarzelle	285
11.5.7 Z-Diode	286
11.5.8 SCHOTTKY-Diode	287
11.6 Transistoren	287
11.6.1 Feldeffekttransistor	287
11.6.2 Bipolartransistor	290
12 Analoge Schaltungen	292
12.1 Stabilisierungsschaltungen	292
12.1.1 Spannungsstabilisierung	292
12.1.2 Stromstabilisierung	293
12.2 Rückkopplung	294
12.2.1 Mit- und Gegenkopplung	295
12.2.2 Rückkopplungsschaltungen	300
12.2.3 MILLER- und Bootstrap-Effekt	301
12.2.4 Über-alles-Gegenkopplung	303
12.3 Stabilität	304
12.3.1 Stabilisierung und Stabilität	304
12.3.2 Übertragungsfunktion	304
12.3.3 Grundlegendes Stabilitätskriterium	306
12.3.4 NYQUIST-Kriterium	307
12.3.5 Stabilität von Verstärkern	309
12.4 Transistorverstärker	312
12.4.1 Schaltungsarten	312
12.4.2 Einstellung der Arbeitspunkte	312
12.4.3 Thermische Stabilität	314
12.4.4 Emitter- bzw. Sourceschaltung	316
12.4.5 Kollektor- bzw. Drainschaltung	318
12.4.6 Basis- bzw. Gateschaltung	319
12.5 Operationsverstärker	320
12.6 Operationsverstärker-Schaltungen	323
12.6.1 Invertierender Verstärker	323
12.6.2 Nicht invertierender Verstärker	325
12.6.3 Addierer	326
12.6.4 Subtrahierer	327
12.6.5 Integrierer	328
12.6.6 Betragsbildung	329
12.6.7 Aktive Filter	331
13 Elektrochemie	332
13.1 Elektrischer Strom in Flüssigkeiten	332
13.1.1 Chemische Wirkung des Stromes	332
13.1.2 Dissoziation	333
13.1.3 Elektrolyse	333
13.2 FARADAYsche Gesetze	334
13.3 Elektrochemische Spannungsreihe	335
13.3.1 Reduktion und Oxidation	335
13.3.2 DANIELL-Element	335
13.3.3 Standard-Wasserstoffelektrode	337
13.4 Batterien	337
13.5 Akkumulatoren	339
13.5.1 Bleiakkumulator	339
13.5.2 Nickel-Cadmium-Akkumulator	342
13.5.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator	342
13.5.4 Lithium-Ionen-Akkumulator	343
13.6 Brennstoffzellen	343
13.7 Elektrolytische Korrosion	344
14 Ströme in Nichtleitern	346
14.1 Stromleitung im Vakuum	346
14.2 Stromleitung in Gasen	348
14.2.1 Ladungsträger in Gasen	348
14.2.2 Elektrische Erscheinungen in Luft	348
14.2.3 Dunkelentladung	349
14.2.4 Stoßionisation	349
14.2.5 Durchschlag im homogenen Feld	351
14.2.6 Sichtbare Gasentladungen	353
14.2.7 Anwendungen des Lichtbogens	354
Lösungen der Aufgaben	356
Anhang	366
A 1 Winkelfunktionen	366
A 1.1 Funktionen desselben Winkels	366
A 1.2 Funktionen zweier Winkel	366
A 1.3 Vielfache eines Winkels	366
A 1.4 Teile eines Winkels	366
A 1.5 Potenzen von Winkelfunktionen	366
A 2 SI-Einheiten	367
A 3 Rechenoperationen mit Matrizen	369
A 4 Komplexe Rechnung	370
A 5 Wichtige Konstanten	371
M1 Berechnungen mit MATLAB	371
M2 MATLAB-Einführung	371
M2.1 Reelle Zahlen	371
M2.2 Ein- und Ausgabe	372
M2.3 Komplexe Zahlen	372
M2.4 Matrizen	372
M2.5 Kontrollstrukturen	373
M2.6 Symbolische Rechnung	373
M2.7 Programmierung	374
M3 Konforme Abbildung	374
Literaturverzeichnis	377
Sachwortverzeichnis	379
Bildquellen	387

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