Aufgabensammlung Elektrotechnik 2: Magnetisches Feld und Wechselstrom. Mit strukturiertem Kernwissen, Lösungsstrategien und -methoden PDF
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Martin Vömel Dieter Zastrow Aufgabensammlung Elektrotechnik 2 Aus dem Programm ____________- --... Literatur für das Grundstudium Lehrwerk Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler von 1. Papula Elektrotechnik von D. Zastrow Aufgabensammlung Elektrotechnik, Band 1 + 2 von M. Vömel und D. Zastrow Elektronik von D. Zastrow Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Elektrotechnik für Ingenieure, Band 1-3 von W. Weißgerber Vieweg Handbuch Elektrotechnik herausgegeben von Wolfgang Böge vieweg _________________ ~ Martin Vömel Dieter Zastrow Aufgabensammlung Elektrotechnik 2 Magnetisches Feld und Wechselstrom Mit strukturiertem Kernwissen, Lösungsstrategien und -methoden 2., überarbeitete Auflage Mit 764 Abbildungen ~ Viewegs Fachbücher der Technik vleweg Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografiej detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar. 1. Auflage 1998 2., überarbeitete Auflage August 2003 Alle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2003 Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. www.vieweg.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de ISBN 978-3-528-13822-6 ISBN 978-3-322-92835-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-92835-1 Vorwort Dieses Werk ist der zweite Band der Aufgabensammlung Elektrotechnik und erscheint jetzt in der zweiten Auflage unter Berücksichtigung der neuen Rechtschreibung. Es wur den Anregungen aus dem Leserkreis zur Verwendung von Vorzeichen bei Wechsel stromwiderständen und Wechselstromleitwerten berücksichtigt. Größter Wert wurde auf die Korrektur von Fehlern gelegt. Dieser Band der Aufgabensammlung behandelt die Gebiete ,,Magnetisches Feld" und "Wechselstrom". Die Kapitelzählung schließt an Band 1 an. Jedes Kapitel beginnt mit einer Lehrstoff-Übersicht, die als "Wissensbasis" in strukturierter Form kurz und knapp aufgabenrelevante Kenntnisse vermittelt. Damit ist sichergestellt, dass das zur Auf gabenlösung erforderliche Grundwissen straff gefasst und in übersichtlicher Weise zur Verfügung steht. Es werden grundsätzliche Lösungsstrategien und -methoden gezeigt und erläutert, so dass der Leser die für den jeweiligen Aufgabentyp relevante Lösungsmetho de schnell und sicher erkennen, erlernen und anwenden kann. Da es bei einem gezielten Aufgabenlösungstraining zweckmäßig ist, von einfachen zu schwierigen Aufgaben fortzuschreiten, sind zur schnelleren Orientierung drei Klassen von Schwierigkeitsstufen angegeben. Die leichteren Aufgaben, gekennzeichnet mit 0, sind zum Kennenlernen der Inhalte der Wissensbasis gedacht. Neben dem Erfassen elektrotechnischer Grundlagen an vorgege benen Schaltungen und einfachen Texten kann die Anwendung des Formelapparates und die Benutzung einfacher Lösungsmethoden geübt werden. Mit den mittelschweren Aufgaben @ kann trainiert werden, Lösungsansätze durch Rück griff auf grundlegende Gesetze und Regeln zu finden und durch Variation und Weiter entwicklung auch etwas schwierigere Aufgabentypen bewältigen zu können. Die anspruchsvolleren Aufgabe e beziehen ihren Schwierigkeitsgrad meist aus dem nicht offen erkennbaren Lösungweg, einer fachübergreifenden AufgabensteIlung oder aus dem zugrundeliegenden komplexeren mathematischen Zusammenhang. Hierzu wurden auch im Anhang einige grundlegende mathematische Ergänzungen angefügt. In jedem Kapitel schließen sich an die Aufgabenstellungen direkt die zugehörigen Lö sungen an, so dass längeres Herumblättern entfällt. Alle Lösungen sind mit ausführlichen Erläuterungen versehen und bieten neben Lösungsvarianten oft auch Ausblicke auf be nachbarte Wissensgebiete. Grundsätzlich empfiehlt es sich jedoch, nicht gleich in den Lösungsteil hineinzuschauen, sondern zunächst einmal selbst das Problem anzugehen und erst abschließend die Ergeb nisse zu vergleichen. Hierbei lohnt es sich auch, die benutzten Lösungsmethoden und - varianten zu beachten, wobei aber berücksichtigt werden muss, dass daneben oft noch weitere Lösungsmöglichkeiten bestehen. VI Bei der Auswahl der Aufgaben wurde besonderer Wert darauf gelegt, neben den typi schen und klassischen Aufgaben bevorzugt auch modeme und praxis gerechte Problem stellungen aufzunehmen. Wir glauben, dass wir mit dem vorliegenden Buch und dem darin angestrebten Konzept zu einer gezielten und anforderungsorientierten Erweiterung des Übungsangebotes an Technikerschulen, Fachhochschulen und Universitäten beitragen können. Zum Schluss möchten wir uns herzlich beimVieweg-Verlag für die gute Zusammenarbeit bedanken. Über Anregungen und Hinweise der Leser sind wir weiterhin dankbar. Frankfurt, Mannheim, 2003 Martin Vömel, Dieter Zastrow Inhaltsverzeichnis • Magnetisches Feld 21 Magnetisches Feld (Übersicht) ......................................................................................... 1 Berechnung magnetischer Feldgrößen einfacher Leiter und Luftspulen 21.1 Aufgaben .................................................................................................................. 4 21.2 Lösungen ..................................................................................... ............................. 9 22 Magnetische Eigenschaften von Eisen I (Übersicht) ........................................................ 16 Weichmagnetische Werkstoffe 22.1 Aufgaben .................................................................................................................. 21 22.2 Lösungen .... ........... ...... ... ..... ......... ........ ..... ......... ............. .... ..... .... .... .... ... ...... ...... ..... 25 23 Spule, Induktivität, Induktivität von Leitungen (Übersicht) ............................................. 28 Berechnen von Induktivitäten 23.1 Aufgaben .................................................................................................................. 30 23.2 Lösungen .................................................................................................................. 33 24 Magnetische Eigenschaften von Eisen 11 (Übersicht) ....................................................... 36 Hartmagnetische Werkstoffe 24.1 Aufgaben ............................................. ................................... .................................. 39 24.2 Lösungen .................................................................................................................. 41 25 Berechnung magnetischer Kreise (Übersicht) ........ ...... ..................................................... 42 25.1 Aufgaben.... ... .......... ... ........ ........... .......... ..... ....... ... ............... ....... .................. ....... ... 44 25.2 Lösungen .................................................................................................................. 47 26 Energie und Kräfte im magnetischen Feld (Übersicht) ................ .................................... 50 Berechnung 26.1 Aufgaben ....... ........................................................................................................... 53 26.2 Lösungen ...... ....... ... ..... ... ......... ............. ....... ...... ............... ....... ........ ........ ...... ... ........ 57 27 Induktionsgesetz (Übersicht) .... ..... ....................... ...................... ....... ........... ....... ....... ...... 62 27.1 Aufgaben ........ ............... ....... ................. .................. ....... ...... .... .............. .... ... ....... .... 64 27.2 Lösungen .............................................. .................................................................... 68 28 Selbstinduktion, Gegeninduktion (Übersicht) .................................................................. 74 28.1 Aufgaben .............................................................................................. .................... 77 28.2 Lösungen ........ .................................... ...... ................................... ....... .... ........... ....... 80 29 Schalten induktiv belasteter Gleichstromkreise (Übersicht) ........... .............. .................... 86 Spulen, Transformatoren 29.1 Aufgaben .................................................................................................................. 90 29.2 Lösungen .................................................................................................................. 94 VIII Inhaltsverzeichnis • Wechselstrom 30 Benennungen und Festlegungen bei Wechselgrößen, Mittelwerte periodischer Wechselgrößen (Übersicht) ...................................................... 100 30.1 Aufgaben .................................................................................................................. 105 30.2 Lösungen .................................................................................................................. 109 31 Überlagerung sinusförmiger Wechselgrößen (Übersicht) ................................................ 120 Addition und Subtraktion im Linien-und Zeigerdiagramm 31.1 Aufgaben .................................................................................................................. 124 31.2 Lösungen .................................................................................................................. 127 32 Wechselstromwiderstände (Übersicht) ............................................................................. 132 Ideale Schaltkreiselemente und Grundschaltungen 32.1 Aufgaben .................................................................................................................. 136 32.2 Lösungen .................................................................................................................. 140 33 Komplexe Betrachtung von Wechselstromschaltungen (Übersicht) ................................ 148 Komplexe Widerstände und Leitwerte 33.1 Aufgaben .................................................................................................................. 154 33.2 Lösungen .................................................................................................................. 159 34 Lösungsmethoden zur Analyse von Wechselstromnetzen (Übersicht) ............................ 170 34.1 Aufgaben .................................................................................................................. 174 34.2 Lösungen .................................................................................................................. 180 35 Die Leistung im Wechselstromkreis (Übersicht) .............................................................. 192 Wirk-, Blind-und Scheinleistung, Leistungsfaktor, Kompensation 35.1 Aufgaben .................................................................................................................. 196 35.2 Lösungen ................... ....................................... .................. ...... ..... ..... ... ..... ... .... ....... 199 36 Ortskurven (Übersicht) ..................................................................................................... 204 36.1 Aufgaben ..... ........... ............. .... ...... .......... ........ .................. .............. .... ... ..... ..... ........ 208 36.2 Lösungen .................................................................................................................. 210 37 Übertragungsfunktion und Frequenzgang (Übersicht) ..................................................... 218 Filterschaltungen und Resonanzkreise 37.1 Aufgaben .................................................................................................................. 222 37.2 Lösungen .................................................................................................................. 225 38 Transformator (Übersicht) ....... .... ... ...... .................. ................... ........ ........... ..... .... ...... ..... 230 Gesetze, Ersatzschaltungen, Zeigerbilder, Kennwerte 38.1 Aufgaben .................................................................................................................. 233 38.2 Lösungen. ..... ... ... ........ ... .... ... ... ...... ........ ..... .... ......... ........................ ......... .... ....... ..... 235 39 Dreiphasensysteme (Übersicht) ........................................................................................ 238 39.1 Aufgaben .................................................................................................................. 242 39.2 Lösungen .................................................................................................................. 244 Anhang: Grundlagen der komplexen Rechnung in der Elektrotechnik ....................... .......... 248 Magnetisches Feld
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