Elektrotechnik für Dummies

Dieses Buch erklärt Ihnen einfach und verständlich, was Sie im Studium über die Elektrotechnik unbedingt wissen sollten. Von einfachen elektrischen Stromkreisen über das ohmsche Gesetz bis hin zu magnetischen Feldern und den Grundlagen der Wechselstromtechnik ist alles vertreten. Schon bald werden Sie mit Widerstand, Kondensator und Kapazität, Spule und Induktion ganz selbstverständlich umgehen. Dank zahlreichen Beispielen und Schritt-für-Schritt-Rechnungen stellen Klausuren kein Problem mehr für Sie dar. Die nächste Prüfung kann also kommen.

Autorentext
Michael Felleisen ist Professor für Mess-, Steuer- und Regelungstechnik an der Hochschule Pforzheim. Er hat an der Universität Karlsruhe studiert, an der RWTH Aachen promoviert und mehrere Jahre als Ingenieur und Produktmanager bei Siemens und SAP gearbeitet.

Inhalt

Über den Autor 11

Danksagung 11

Einführung 23

Über dieses Buch 25

Konventionen in diesem Buch 26

Was Sie nicht lesenmüssen 26

Annahmen über Sie, den Leser 27

Wie dieses Buch aufgebaut ist 27

Teil I: Größen der Elektrotechnik und ihre Zusammenhänge 27

Teil II: Stromkreise und ihre Widerstände 28

Teil III: Elektrisches Feld und Kondensator 28

Teil IV: Magnetisches Feld und Spule 29

Teil V: Elektromagnetische Felder und der Gleichstrommotor 29

Teil VI: Grundlagen der Wechselstromtechnik 30

Teil VII: Der Top-Ten-Teil 30

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 30

Wie es weitergeht 31

Teil I Größen Der Elektrotechnik Und Ihre Zusammenhänge 33

Kapitel 1 Die wesentlichen mathematischen Grundlagen 35

Physikalische Größen und deren Einheiten 35

Skalare und Vektoren zur Darstellung von Feldern 38

Aus zweimach eins: Vektoren addieren 40

Das Skalarprodukt verbindet Vektoren 41

Das Vektorprodukt mit dem Kreuz 42

Dreiecke und ihre Winkel 43

Ohne Schwingungen geht es nicht 44

An Ableitung und Integration führt kein Weg vorbei 45

Kapitel 2 Potz Blitz! Elektrisches Feld und Anwendungen der Elektrotechnik 49

Das elektrische Feld und sein Drumherum 49

Praktische Elektrotechnik im Alltag 51

Kapitel 3 Aus einer Ladung wird elektrischer Strom 55

Der elektrische Strom und sein Fluss 56

Ohne Spannungsquelle fließt kein Strom 57

Die Kraft, die alles zusammenhält 59

Kapitel 4 Wenn die Spannung keinen Widerstand hätte 63

Die Entstehung der elektrischen Spannung 64

Elektrischer Widerstand und dessen Leitwert 65

Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände 68

Kapitel 5 Die Spannung ist Strom mal Widerstand 71

Das Ohmsche Gesetz 71

Muskelkater ade - elektrische Arbeit ersetzt Muskelkraft 73

Teil II Stromkreise Und Ihre Widerstände 77

Kapitel 6 Stecker rein - woher der Strom kommt 79

Bezüge und Richtungen - das Zählpfeilsystem 79

Das Innenleben der Steckdose 81

Kurzschlussfall RV = 0 83

Leerlauffall RV 84

Anpassung RV = Ri 84

Spannungs- und Stromquelle ideal gesehen 87

Kapitel 7 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen 91

In Reih und Glied - die Reihenschaltung 91

Die Parallelschaltung 95

Kapitel 8 Ströme teilen und Spannungen fangen - die Kirchhoffschen Gesetze 99

Die Knotenregel 100

Die Maschenregel 100

Ein Cocktail aus Knoten und Maschen 102

Die erweiterte Reihenschaltung 102

Die erweiterte Parallelschaltung 105

Ein Rechenbeispiel zum Üben 108

Geteilte Spannungen im belasteten Spannungsteiler 111

Die Wheatstonesche Brückenschaltung 112

Teil III Elektrisches feld und kondensator 115

Kapitel 9 Von der Feldstärke zum Potenzial 117

Volle Ladung - die Wirkung des elektrischen Feldes 118

Feldstärke im homogenen Feld 119

Experimentelle Darstellung der elektrischen Feldstärke mithilfe des Plattenkondensators 121

Mathematische Herleitung der elektrischen Feldstärke 122

Feldstärke im inhomogenen Feld 123

Das Potenzial und der kleine, aber feine Unterschied 124

Kapitel 10 Der elektrische Fluss und seine Begleiter 127

Aus Influenz wird elektrischer Fluss 127

Die elektrische Flussdichte treibt an 128

Dielektrizitätskonstante und der Materialeinfluss 131

Kapitel 11 Berechnung elektrostatischer Felder 133

Feld der geladenen Kugel 133

1 Schritt: Ein Bild sagt mehr als tausend Worte 133

2 Schritt: Lösungsansatz (mathematisches Modell) 134

3 Schritt: Randbedingungen definieren 135

4 Schritt: Lösung 135

Feld in der Umgebung mehrerer Ladungen 137

1 Schritt: Skizze erstellen 138

2 Schritt: Berechnung der einzelnen Felder E1 und E2 138

3 Schritt: Lösung für das gesamte E-Feld im Punkt P 138

Feld eines langen, geraden Leiters 139

1 Schritt: Skizze erstellen139

2 Schritt: Lösungsansatz 139

3 Schritt: Randbedingungen 139

Kapitel 12 Die Kapazität des Kondensators 143

Definition der Kapazität 143

Die Kapazität des Plattenkondensators 144

1 Schritt: Skizze erstellen144

2 Schritt: Lösungsansatz 145

3 Schritt: Lösung über die Gleichung für die Kapazität 145

Die Kapazität des Kugelkondensators 147

1 Schritt: Skizze erstellen 147

2 Schritt: Berechnung der Kapazität 147

Die Kapazität des Zylinderkondensators 150

1 Schritt: Skizze erstellen150

2 Schritt: Lösungsansatz 150

Kondensatoren verschaltet 152

Parallel an der Spannungsquelle 152

In Reihe an der Spannungsquelle 153

Kapitel 13 Die Energie des elektrostatischen Feldes 157

Volle Scheunen - ein Kondensator wird aufgeladen 157

1 Schritt: Anwendung der Maschenregel 159

2 Schritt: Lösen der Differenzialgleichung 159

3 Schritt: k über Anfangsbedingungen bestimmen 161

4 Schritt: Ermitteln des Kennlinienverlaufs 161

5 Schritt: Dynamische Charakteristik 162

Der Kondensator entlädt sich wieder 163

Dann war da noch die Spannung am Widerstand... 164

Kapitel 14 Energiedichte und wirkende Kräfte im Kondensator 167

Energiedichte im elektrostatischen Feld 167

Kräfte zwischen Elektroden 169

Teil IV Magnetisches Feld Und Spule 171

Kapitel 15 Das Magnetfeld stromdurchflossener Leiter 173

Magnetische Grundformen 174

Der Stab unter den Magneten 174

Magnetfeld eines langen, stromdurchflossenen Leiters 174

Die Zylinderspule 175

Der Spezialist: Ringkern- oder Toroidspule 178

Kapitel 16 Magnetische Feldgrößen 179

Magnetische Feldstärke und Durchflutung 179

Vom magnetischen Fluss zur Flussdichte 182

Kapitel 17 Das Durchflutungsgesetz 187

Von der Umlaufspannung zur Durchflutung 187

Experimentelle Überprüfung des Durchflutungsgesetzes 190

Anwendungsbeispiel zum Durchflutungsgesetz 191

1 Schritt: Skizze erstellen191

2 Schritt: Lösungsansatz 192

3 Schritt: Randbedingungen definieren 192

4 Schritt: Lösung 193

Kapitel 18 Ohmsches Gesetz auch im Magnetismus 199

Kapitel 19 Volle Power - Kräfte im magnetischen Feld 203

Der stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld 203

Bewegte Ladung im Magnetfeld - die Lorentzkraft 207

Leiter ziehen sich an! 208

Kapitel 20 Induktionswirkung frei nach Faraday 211

Bewegte Leiter im Magnetfeld - Induktion durch Bewegung 211

Kapitel 21 Auch das noch: Selbstinduktion 215

Entstehung und Wirkung der Selbstinduktion 215

Induktivität von Eisenspulen und Permeabilität 217

Energie des magnetischen Feldes 218

Ähnliche Geschwister - Analogien des elektrischen und des magnetischen Feldes 218

Teil V Elektromagnetische Felder Und Der Gleichstrommotor 221

Kapitel 22 Bestens angetrieben - der Gleichstrommotor 223

Vom Geräteschema zum Ersatzschaltbild 223

Lorentz, mir graut vor dir - das Kraftgesetz 225

Ohne den Kommutator keine volle Umdrehung 227

Mit Höchstleistungen zum Wirkungsgrad 229

Wirkung des Induktionsgesetzes - Faraday sei Dank 230

Ersatzschaltbild des Gleichstrommotors 231

Elektrischer Teil des Motors 232

Mechanischer Teil des Motors 234

Kapitel 23 Bewegung erzeugt Antrieb 237

Kennwerte des Motors 237

Wirkungsgrad des Motors 238

Drehmoment MA des Motors 239

Erregungsarten des Motor…