Aufgabensammlung zur Elektrotechnik und Elektronik: Übungsaufgaben mit ausführlichen Musterlösungen

533 Pages·2017·9.45 MB·German

by  Leonhard Stiny (auth.)

Leonhard Stiny
Aufgabensammlung
zur Elektrotechnik
und Elektronik
Übungsaufgaben mit ausführlichen
Musterlösungen
3. Auflage
Aufgabensammlung zur Elektrotechnik
und Elektronik
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03März 2012 | 114. Jahrgang
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Springer für Professionals
Leonhard Stiny
Aufgabensammlung
zur Elektrotechnik
und Elektronik
Übungsaufgaben mit ausführlichen
Musterlösungen
3., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 560 Aufgaben und 517 Abbildungen
LeonhardStiny
Haaga.d.Amper,Deutschland
ISBN978-3-658-14380-0 ISBN978-3-658-14381-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-14381-7
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillier-
tebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
Die erste Auflage erschien unter dem Titel„Aufgaben mit Lösungen zum Grundwissen Elektrotechnik“im
FranzisVerlag,2005.
DiezweiteAuflageerschienunterdemTitel„AufgabenmitLösungenzurElektrotechnik“imFranzisVerlag
2008.
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DieAnschriftderGesellschaftist:Abraham-Lincoln-Strasse46,65189Wiesbaden,Germany
Vorwort zur 3. Auflage
Nach der 1. und 2. Auflage beim Franzis-Verlag ist nun die 3. Auflage beim Springer-
Verlag erschienen. In meiner bisher zehnjährigen Tätigkeit als Lehrbeauftragter für das
Fach„GrundlagenderElektrotechnikundElektronik“anderOstbayerischenTechnischen
Hochschule Regensburg wurde sehr deutlich, dass Studierende dringend genügend Bei-
spiele benötigen, um den in den Lehrveranstaltungen dargebotenen Stoff im Detail zu
verstehen, ihn wiederholen und vor allem einüben zu können. Um eine anspruchsvolle
Prüfung zu bestehen, müssen nicht nur Ansätze und Vorgehensweisen zur Berechnung
undLösungvonAufgabenbekanntsein,auchdas„handwerkliche“Können,dasRechnen
selbst, muss beherrscht werden, um nicht in Zeitnot zu geraten. Alle diese Fertigkeiten
könnenmitdenvorliegendenAufgabengeübtwerden.
VieleAufgabenfandeninmeinenVorlesungenals„Vorlesungsübungen“Verwendung,
die gemeinsam bearbeitetoder vorgerechnetwurden.Dadurch ergabsich einerseits eine
sehr genaue Betrachtung und Verifizierung der Ergebnisse, welche durch vorgeschlage-
ne alternative Lösungswege ergänzt werden konnten. Andererseits wurde klar, welche
Stoffgebiete und Darstellungsweisen Probleme bereiten und besonders ausführlich und
eingängigerklärtwerdenmüssen.AlsBeispielseihierdiekomplexeWechselstromrech-
nunggenannt.
Die Gliederung des Buches blieb zum größten Teil unverändertund ist entsprechend
neuhinzugekommenerThemengebieteerweitert.DieAnzahlderÜbungsaufgabenwurde
erheblicherhöht,eswurdenauchmathematischschwierigereAufgabenaufgenommen.
Teilweise sinddieFragestellungenundLösungenin FormeinerallgemeinenErläute-
rung eines Themengebietes gestaltet und zugehörigen Berechnungen vorangestellt. Da-
durchwerdeneinführendeAbschnittewieineinemLehrbucherreicht.
FürHinweiseaufmöglicheÄnderungenundErgänzungenbinichdankbar.
Haaga.d.Amper,imApril2016 LeonhardStiny
V
Vorwort
DiesesBuchrichtetsichanalle,dieAufgabenderElektrotechnikzulösenhaben,ihrWis-
senaufdiesemGebietdurchÜbungenfestigenwollenodersichaufeinePrüfungvorberei-
ten müssen. Auszubildende elektrotechnischer Berufe, Schüler weiterführender Schulen
und Fachschulen, angehende Industriemeister oder Techniker, Studierende der Elektro-
technikodereinerverwandtenFachrichtunganBerufsakademien,Fachhochschulenoder
UniversitätenfindenentsprechendenundausgiebigenÜbungsstoff.Berufserfahreneoder
an der Lösung konkreter Aufgaben interessierte Hobbyelektroniker können ihr Wissen
auffrischen oder ergänzen. Hier stehen genügend Beispiele mit Lösungen als Vorberei-
tungshilfe und zum Selbststudium zur Verfügung. Durch die Bearbeitung der Übungen
werdenKenntnissederElektrotechnikgefestigtunderweitert.
DasWerkenthält280ÜbungsaufgabensamtausführlicherläutertenLösungswegenmit
detaillierten algebraischen und numerischen Berechnungen zu Grundgebieten der Elek-
trotechnik.Lösungsergebnissewerdennichtnurangegeben,sonderngründlicherarbeitet.
Somit wird im Zuge der Musterlösungen die allgemeine Vorgehensweise zur Problem-
bewältigung geübt. Auch aufeinander folgende Lösungsschritte mit Zahlenwerten sind
aufgenommen, damit Übende feststellen können, an welcher Stelle sie sich verrechnet
haben.
Die inhaltliche Strukturierung meines erfolgreichen Lehrbuches „Grundwissen Elek-
trotechnik“(FranzisVerlag)wurdefürdenvorliegendenÜbungsbandsoweitalsmöglich
übernommen. Somit besteht die Möglichkeit, den Stoff der einzelnen Lehrbuchkapitel
zuvertiefenunddieeigenenFertigkeiten inderAnwendungdesErlerntenzutrainieren.
Das vorliegendeWerk kann abervöllig unabhängigzum selbstständigen Lernenbenutzt
werden.NachimLehrbuchbewährterWeisewirdimVerlaufedereinzelnenKapitelvon
einfachenzuschwierigerenAufgabenvorgegangen.
Die einzelnen Abschnitte werden mit Zusammenfassungen des anschließenden Wis-
sensgebietesunddortmöglicherweiseverwendeterFormelneingeleitet.DiesekurzenAb-
risse erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Notwendigkeit zur Bearbeitung
der daran anschließenden Aufgaben. Sie bereiten jedoch auf das Folgende vor und die-
nen,ebensowieeinigeallgemeineAusführungenzuelektrotechnischenGrundlagenund
VorgehensweiseninnerhalbderLösungen,zueinemVerständnisdesTeilgebietes.
VII
VIII Vorwort
DieBereichederÜbungenreichenvondenGrundlagenderElektrotechnik,einfachen
sowieumfangreichenSchaltungenderGleich-,Wechsel-undDrehstromtechnik,Analyse
vonEinschwingvorgängenundNetzwerkenüberelektronischeBauteilebiszurelektroni-
schenSchaltungstechnik.
Zur Lösung der Aufgaben sind mathematische Kenntnisse der Algebra, Winkelfunk-
tionen undkomplexenRechnungi.a. ausreichend.„Höhere“Mathematik (im Sinnevon
Integrieren,Differenzieren)wirdkaumverwendet.
VielErfolgbeiderBearbeitungderAufgaben!
Haaga.d.Amper,imJuli2005 LeonhardStiny
Inhaltsverzeichnis
1 ElektrischerStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Stoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Atombau,elektrischerStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 DerAufbauderMaterie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 ElektrischeLadung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 ElektrischerStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Nichtleiter,LeiterundHalbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 WiderstandundLeitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 ElektrischeSpannung,Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.8 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 DerunverzweigteGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 GrößenimGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 WichtigeFormeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 DieGrößefürdenelektrischenStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 DieGrößefürdieelektrischeSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 DasOhm’scheGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Erzeuger-undVerbraucher-Zählpfeilsystem . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 ElektrischeArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7 ElektrischeLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 LineareBauelementeimGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.1 DerohmscheWiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 Kondensator,elektrostatischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3 GrundlagendesMagnetismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.4 Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.5 WichtigeFormeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
IX
X Inhaltsverzeichnis
3.2 Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 DerohmscheWiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 SpezifischerWiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 StrombegrenzungdurcheinenVorwiderstand . . . . . . . . . . 45
3.2.4 AufteilungeinerSpannung,Spannungsteilerregel . . . . . . . 47
3.2.5 AufteilungdesStromes,Stromteilerregel. . . . . . . . . . . . . 52
3.2.6 TemperaturabhängigkeitdesWiderstandes . . . . . . . . . . . . 56
3.2.7 ZulässigeVerlustleistung,Lastminderungskurve,
Wärmewiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.8 TechnischeAusführungvonFestwiderständen . . . . . . . . . 69
3.3 Kondensator,elektrischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1 DerKondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2 Kondensator,elektrostatischesFeld,Energie . . . . . . . . . . 73
3.3.3 TechnischeAusführungenvonKondensatoren . . . . . . . . . 77
3.3.4 Plattenkondensator,geschichteteDielektrika . . . . . . . . . . 81
3.3.5 RadialsymmetrischeselektrischesFeld . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3.6 InhomogeneselektrischesFeld,Strömungsfeld . . . . . . . . . 105
3.4 Spule,magnetischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.1 DieSpule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.2 MagnetischerKreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4.3 Leiteranordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4.4 Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4 Gleichspannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2 DiebelasteteGleichspannungsquelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3 Ersatzspannungsquelle,Ersatzstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.4 Kurzschlussstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.5 Spannungs-,Strom-,Leistungsanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5 BerechnungenimunverzweigtenGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . 181
5.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.2 ReihenschaltungvonohmschenWiderständen . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.3 ReihenschaltungvonKondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.4 ReihenschaltungvonSpulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.5 ReihenschaltungvonSpannungs-undStromquellen . . . . . . . . . . . 186
6 MessungvonSpannungundStrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2 VoltmeterundAmperemeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.3 ErweiterungdesMessbereiches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.4 IndirekteMessungvonWiderstandundLeistung . . . . . . . . . . . . . 196
6.5 Wheatstone-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199