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Elektrotechnik für Dummies

Elektrotechnik für Dummies

Michael Felleisen

ISBN: 978-3-527-69275-0

Jan 2016

328 pages

Select type: E-Book

$14.99

Einführung 23

Über dieses Buch 25

Konventionen in diesem Buch 26

Was Sie nicht lesen müssen 26

Törichte Annahmen über den Leser 26

Wie dieses Buch aufgebaut ist 27

Teil I: Größen der Elektrotechnik und ihre Zusammenhänge 27

Teil II: Stromkreise und ihre Widerstände 27

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 zwei mach 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 53

Der elektrische Strom und sein Fluss 53

Ohne Spannungsquelle fließt kein Strom 55

Die Kraft, die alles zusammenhält 57

Kapitel 4 Wenn die Spannung keinen Widerstand hätte … 61

Die Entstehung der elektrischen Spannung 61

Elektrischer Widerstand und dessen Leitwert 63

Abhängigkeit des elektrischen Widerstands R 64

Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände 66

Kapitel 5 Die Spannung ist Strom mal Widerstand 69

Das ohmsche Gesetz 69

Muskelkater ade – elektrische Arbeit ersetzt Muskelkraft 71

Teil II Stromkreise und ihre Widerstände 75

Kapitel 6 Stecker rein – woher der Strom kommt 77

Bezüge und Richtungen – das Zählpfeilsystem 77

Das Innenleben der Steckdose 78

Kurzschlussfall RV = 0 80

Leerlauffall RV → ∞ 81

Anpassung RV = Ri 82

Spannungs- und Stromquelle ideal gesehen 85

Kapitel 7 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen 87

In Reih und Glied – die Reihenschaltung 87

Die Parallelschaltung 90

Kapitel 8 Ströme teilen und Spannungen fangen – die kirchhoffschen Gesetze 95

Die Knotenregel 95

Die Maschenregel 96

Ein Cocktail aus Knoten und Maschen 97

Die erweiterte Reihenschaltung 97

Die erweiterte Parallelschaltung 101

Ein Rechenbeispiel zum Üben 104

Geteilte Spannungen im belasteten Spannungsteiler 106

Die wheatstonesche Brückenschaltung 107

Teil III Elektrisches Feld und Kondensator 111

Kapitel 9 Von der Feldstärke zum Potenzial 113

Volle Ladung – die Wirkung des elektrischen Feldes 114

Feldstärke im homogenen Feld 114

Experimentelle Darstellung der elektrischen Feldstärke

mithilfe des Plattenkondensators 116

Mathematische Herleitung der elektrischen Feldstärke 118

Feldstärke im inhomogenen Feld 119

Das Potenzial und der kleine, aber feine Unterschied 120

Kapitel 10 Der elektrische Fluss und seine Begleiter 123

Aus Influenz wird elektrischer Fluss 123

Die elektrische Flussdichte treibt an 124

Dielektrizitätskonstante und der Materialeinfluss 127

Kapitel 11 Berechnung elektrostatischer Felder 129

Feld der geladenen Kugel 129

1. Schritt: Ein Bild sagt mehr als tausend Worte 130

2. Schritt: Lösungsansatz (mathematisches Modell) 130

3. Schritt: Randbedingungen definieren 131

4. Schritt: Lösung 131

Feld in der Umgebung mehrerer Ladungen 133

1. Schritt: Skizze erstellen 134

2. Schritt: Berechnung der einzelnen Felder E1 und E2 134

3. Schritt: Lösung für das gesamte E-Feld im Punkt P 134

Feld eines langen, geraden Leiters 135

1. Schritt: Skizze erstellen 135

2. Schritt: Lösungsansatz 135

3. Schritt: Randbedingungen 136

Kapitel 12 Die Kapazität des Kondensators 139

Definition der Kapazität 139

Die Kapazität des Plattenkondensators 140

1. Schritt: Skizze erstellen 140

2. Schritt: Lösungsansatz 141

3. Schritt: Lösung über die Gleichung für die Kapazität 141

Die Kapazität des Kugelkondensators 142

1. Schritt: Skizze erstellen 143

2. Schritt: Berechnung der Kapazität 143

Die Kapazität des Zylinderkondensators 146

1. Schritt: Skizze erstellen 146

2. Schritt: Lösungsansatz 147

Kondensatoren verschaltet 148

Parallel an der Spannungsquelle 149

In Reihe an der Spannungsquelle 149

Kapitel 13 Die Energie des elektrostatischen Feldes 153

Volle Scheunen – ein Kondensator wird aufgeladen 153

1. Schritt: Anwendung der Maschenregel 154

2. Schritt: Lösen der Differenzialgleichung 155

3. Schritt: k über Anfangsbedingungen bestimmen 157

4. Schritt: Ermitteln des Kennlinienverlaufs 157

5. Schritt: Dynamische Charakteristik 158

Der Kondensator entlädt sich wieder 159

Dann war da noch die Spannung am Widerstand … 160

Kapitel 14 Energiedichte und wirkende Kräfte im Kondensator 163

Energiedichte im elektrostatischen Feld 163

Kräfte zwischen Elektroden 164

Teil IV Magnetisches Feld und Spule 167

Kapitel 15 Das Magnetfeld stromdurchflossener Leiter 169

Magnetische Grundformen 170

Der Stab unter den Magneten 170

Magnetfeld eines langen, stromdurchflossenen Leiters 170

Die Zylinderspule 172

Der Spezialist: Ringkern- oder Toroidspule 173

Kapitel 16 Magnetische Feldgrößen 175

Magnetische Feldstärke und Durchflutung 175

Vom magnetischen Fluss zur Flussdichte 178

Kapitel 17 Das Durchflutungsgesetz 183

Von der Umlaufspannung zur Durchflutung 183

Experimentelle Überprüfung des Durchflutungsgesetzes 185

Anwendungsbeispiel zumDurchflutungsgesetz 187

1. Schritt: Skizze erstellen 187

2. Schritt: Lösungsansatz 188

3. Schritt: Randbedingungen definieren 188

4. Schritt: Lösung 188

Kapitel 18 Ohmsches Gesetz auch im Magnetismus 195

Kapitel 19 Volle Power – Kräfte im magnetischen Feld 199

Der stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld 199

Bewegte Ladung im Magnetfeld – die Lorentzkraft 203

Leiter ziehen sich an! 203

Kapitel 20 Induktionswirkung frei nach Faraday 205

Bewegte Leiter im Magnetfeld – Induktion durch Bewegung 205

Kapitel 21 Auch das noch: Selbstinduktion 209

Entstehung und Wirkung der Selbstinduktion 209

Induktivität von Eisenspulen und Permeabilität 211

Ähnliche Geschwister – Analogien des elektrischen

und des magnetischen Feldes 211

Teil V Elektromagnetische Felder und der Gleichstrommotor 215

Kapitel 22 Bestens angetrieben – der Gleichstrommotor 217

Vom Geräteschema zum Ersatzschaltbild 217

Lorentz, mir graut vor dir – das Kraftgesetz 219

Ohne den Kommutator keine volle Umdrehung 221

Mit Höchstleistungen zumWirkungsgrad 223

Wirkung des Induktionsgesetzes – Faraday sei Dank 224

Ersatzschaltbild des Gleichstrommotors 225

Elektrischer Teil des Motors 226

Mechanischer Teil des Motors 228

Kapitel 23 Bewegung erzeugt Antrieb 231

Kennwerte des Motors 231

Wirkungsgrad η des Motors 232

Drehmoment MA des Motors 233

Erregungsarten des Motors 236

Fall mir nicht zur Last! 237

Das Lastmoment ML des Lüfters 238

MM-n-Kennlinie des Gleichstrommotors 239

Der Arbeitspunkt 239

Teil VI Grundlagen der Wechselstromtechnik 243

Kapitel 24 Auf und ab – sinusförmige Wechselgrößen 245

Von der Gleich- zur Wechselgröße 245

Erzeugung einer Wechselgröße 247

Kapitel 25 Kennwerte sinusförmiger Wechselgrößen 251

Amplitude, Augenblickswert und Frequenz 251

Wer kommt vor wem? Die Phasenverschiebung 253

Phasenverschiebung der Spule 254

Phasenverschiebung des Kondensators 256

Mittelwerte von Wechselgrößen 256

Gleichanteil 257

Gleichrichtwert 257

Effektivwert, quadratischer oder geometrischer Mittelwert 258

Kapitel 26 Zeigerdarstellung von Wechselgrößen 263

Vom Zeiger- zum Liniendiagramm 263

Kapitel 27 Grundschaltungen sinusförmiger Wechselgrößen 267

Der komplexe Widerstand 267

Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis 270

Der induktive Blindwiderstand einer Spule 271

Der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators 273

Vergleich der Grundschaltungen an Wechselstrom 274

Teil VII Der Top-Ten-Teil 277

Kapitel 28 Zehn wichtige Erfinder der Elektrotechnik 279

Die quantitative Elektrostatik 279

Teilchen beginnen zu wirken – C.A. de Coulomb 279

Strömung elektrischer Ladungen – der Gleichstrom 279

Froschschenkel und andere Kuriositäten – Luigi Galvani 279

Nerven und Muskeln enthalten Elektrizität – Alessandro Volta 280

Widerstand zwischen Spannung und Strom – G.S. Ohm 281

Die Tücken von Knoten und Maschen – G.R. Kirchhoff 282

Das Wunder des magnetischen Feldes 283

Die unheimliche Kraft des Stroms – H.C. Oersted 283

Elektrische Ströme und Magnetismus sind eins – M. Faraday 283

Die Welt der wechselwirkenden Ströme 285

Die Messung des elektrischen Stroms – A.-M. Ampère 285

Vom dynamoelektrischen Prinzip zum Firmengründer – W. von Siemens 285

Der Vater der Frequenzen – Heinrich Rudolf Hertz 287

Kapitel 29 Zehn technologische Fortschritte zum Einsatz der Energie 289

1. Segelfahrzeug am Strand von Holland 289

2. Naturwissenschaftliche Beschreibung durch die Mathematik 289

3. Kraft 289

4. Energie 289

5. Elektrizität 290

6. Volta-Säule 290

7. Es werde Licht! 290

8. Strahlende Chemie 290

9. Kernenergie und die Atombombe 290

10. Heute 291

21 Inhaltsverzeichnis

Kapitel 30 Zehn Schritte zum Bau eines Radios 293

Ein funktionsfähiges Radio bauen 293

Kapitel 31 Meine zehn Lieblingsbücher zur Elektrotechnik 295

Anhang 297

Stichwortverzeichnis 325