Elektrotechnik: Lehr- und Arbeitsbuch

444 Pages·1991·14.125 MB·German

by  Dieter Zastrow (auth.)

Dieter Zastrow
Elektrotechnik
Dieter Zastrow
Elektrotechnik
Lehr- und Arbeitsbuch
11., iiberarbeitete Aufiage
Mit 496 Abbildungen, 134 Lehrbeispielen
und 221 Ubungen mit Losungen
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Zastrow, Dieter:
Elektrotechnik: Lehr-und Arbeitsbuch / Dieter
Zastrow. - 11., iiberarb. Aufl. - Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1991
(Viewegs Fachbiicher der Technik)
ISBN-I3: 978-3-528-14034-2 e-ISBN-I3: 978-3-322-85554-1
001: 10.1007/978-3-322-85554-1
1. Auflage 1977
2., durchgesehene Auflage 1978
3., Uberarbeitete und erweiterte Auflage 1980
4., verbesserte Auflage 1981
5., durchgesehene Auflage 1982
6:, verbesserte Auflage 1983
7., durchgesehene Auflage 1984
8., vollstandig Uberarbeitete Auflage 1987
9., verbesserte Auflage 1988
10., verbesserte Auflage 1990
11., Uberarbeitete Auflage 1991
Der Verlag Vicwcg ist ein Unternehmcn der Verlagsgruppc Bertclsmann International.
Aile Rechtc vorbehaiten
© FriedT. Vicweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1991
Softcover reprint of the hardcover lIth edition 1991
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herigen schriftlichen Einwilligung des Verlages.
Satz: Vieweg, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen
ISBN-13: 978-3-528-14034-2
v
Vorwort
Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch vermittelt die Grundlagen der Elektrotechnik, wie
sie ftir die Anwendungsfacher Elektronik, MeBtechnik, elektrische Maschinen, elektrische
Anlagen und Steuer-und Regelungstechnik benotigt werden.
Die Darbietung des Lehrstoffs ist abgestimmt auf den Unterricht an Technikerschulen.
Das erfordert eine eigenstandige Darstellung der Elektrotechnik; die weder eine Berufs
schul- noch eine Hochschul-Elektrotechnik sein kann. Kennzeichen dieser Elektrotechnik
ist das Verstandnis ftir elektrische Zusammenhange und Methoden ihrer Anwendung. Die
Resonanz auf die bisherigen Auflagen bestatigt die Annahme, daB ein Lehr-und Arbeits
buch ftir ein mittie res Niveau der Elektrotechnik sich auch fUr den Unterricht an Beruf
lichen Gymnasien, Fachoberschulen und Berufskollegs sowie fUr die Grundlagenvor
lesungen an Fachhochschulen eignet.
Besonderer Wert wird auf die Eigentatigkeit der Lernenden gelegt: 40 % des Buchumfangs
entfallen auf Beispiele und Obungsaufgaben und deren ausftihrliche Losungen, so daB
auch ein kontrolliertes Selbststudium moglich ist.
Die Obungsaufgaben verfolgen drei unterschiedliche Zielsetzungen und sind durch
Symbole gekennzeichnet. Nahere Einzelheiten finden Sie in den Arbeitshinweisen zu
dies em Buch, die zugleich auch als Hilfestellung ftir Leser gedacht sind, die nach lahren
der Berufspraxis wieder vor dem Problem Lemen stehen.
Ein den Kapiteln zugeordneter Wissensspeicher kann bei der Vorbereitung auf Prtifungen
und flir die stets erforderlichen Wiederholungen gute Dienste leisten, da er das Kernwissen
in strukturierter Form aufwenigen farbigen Seiten bereithalt.
Gern statte ich zum SchluB dem Verlag Vieweg ftir das Eingehen auf meine Wtinsche und
den Kollegen aus dem Leserkreis fUr ihre Anregungen zur Verbesserung des Buches
meinen herzlichen Dank abo
Ellerstadt, Marz 1991 Dieter Zastrow
VI
Inhaltsverzeichnis
Arbeitshinweise zu diesem Buch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XII
1 Elektrische Ladung .... : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Beobachtungen und Grundannahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Atomistische Deutung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Ladungstrennung..................................... 3
1.4 Ladungstrager....................................... 3
1.5 Ladungsmenge....................................... 4
1.6 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 Energietransportaufgabe des Stromkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Elektrisches Feld als Erklarungsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Potential........................................... 10
2.4 Potentialdifferenz..................................... 11
2.5 Potentialgefille ...................................... 12
2.6 Potential· und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
2.7 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
3 Elektrische Stromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
3.1 Stromrichtung und Stromstiirke ........................... 19
3.2 Zeitlich konstante Stromung ........... .". . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
3.3 Zeitlich veranderliche Stromung ........................... 21
3.4 Transportierte Ladungsmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
3.5 Messen der Stromstiirke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
3.6 Stromdichte ........................................ 24
3.7 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
4 Elektrischer Widerstand .......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
4.1 Widerstandsbegriff.................................... 27
4.2 Lineare Widerstande ................................... 28
4.3 Nichtlineare Widerstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
4.4 Ohmsches Gesetz ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31
4.5 Temperaturabhangigkeit des Widerstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
4.6 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
Inhaltsverzeichnis VII
5 Grundstromkreise ................................. ······ 42
5.1 Grundgesetze der Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
5.2 Reihenschaltung von Widerstanden ......................... 44
5.3 Parallelschal tung von Widerstanden .............. ....... :... 46
5.4 Spannungsquelle mit Innenwiderstand ....................... 49
5.5 Stromquelle mit Innenwiderstand .......................... 52
5.6 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
6 Energieumsetzung im Schaltwiderstand .......... . . . . . . . . . . .. 59
6.1 Elektrische Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
6.2 loulesches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60
6.3 Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
6.4 Strom-und Spannungsabhangigkeit der Leistung ................ 63
6.5 Nennleistung........................................ 64
6.6 Energieumwandlung und Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
6.7 Energieiibertragung und Wirkungsgrad ....................... 67
6.8 Leistungsanpassung........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
6.9 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
7 Verzweigte Stromkreise .................................. 74
7.1 Losungsmethodik fUr verzweigte Stromkreise mit bekannten
Widerstandswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75
7.2 Losungsmethodik fUr verzweigte Stromkreise mit gesuchten
Widerstandswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79
7.3 Losungsmethodik ftir Schaltungen mit einem nichtlinearen
Widerstand ......................................... 82
7.4 Wheatstonesche Bruckenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85
7.5 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
8 Netzwerke ............................................ 93
8.1 Netzwerk .......................... ·................ 93
8.2 Kreisstromverfahren................................... 94
8.3 Dberlagerungsmethode ................................. 95
8.4 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96
9 Ersatzquellen.......................................... 99
9.1 Ersatzschaltungen..................................... 99
9.2 Ersatzspannungsquelle.................................. 99
9.3 Ersatzstromquelle..................................... 101
9.4 Vergleich der Ersatzquellen .............................. 102
9.5 Ersatzschaltungen zur Nachbildung nichtlinearer /-U-Kennlinien ...... 103
9.6 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 106
VIII Inhaltsverzeichnis
10 Eigenschaften und Bemessung des Spannungsteilers 109
10.1 Leerlauffall ....................................... " 109
10.2 Belastungsfall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
10.3 Linearitatsfehler des belasteten Spannungsteilers ................ 113
10.4 Dimensionierung des Spannungsteilers ....................... 116
10.5 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
11 Elektrostatisches Feld 120
11.1 Elektrostatisches Feld des Plattenkondensators ................. 120
11.2 Kapazitat .......................................... 121
11.3 Kapazitiitsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 122
11.4 Parallel-und Reihenschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . .. 129
11.5 Kapazitive Kopplung von Stromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
11.6 Energie des elektrostatischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
11. 7 Krafte im elektrostatischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 136
11.8 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142
12 Ladungsvorgange bei Kondensatoren ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 145
12.1 Aufladung des Kondensators mit konstantem Strom . . . . . . . . . . . . .. 145
12.2 Aufladung des Kondensators bei konstanter Spannung. . . . . . . . . . . .. 146
12.3 Entladungsvorgang des Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
12.4 Vertiefung und Dbung ................................ " 155
13 Magnetisches Feld ...................................... 157
13.1 Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters ................... 157
13.2 Induktivitat..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 158
13.3 Induktivitatsberechnung ................................ 159
13.4 Magnetische Eigenschaften des Eisens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166
13.5 Magnetischer Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
13.6 Energieumsatz in der Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
13.7 Hystereseverluste ..................................... 176
13.8 Kraftwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 178
13.9 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184
14 Induktion ............................................ 187
14.1 Induktion in der Leiterschleife ............................ 187
14.2 Induktionsgesetz ..................................... 188
14.3 Induktionsspule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193
14.4 Generatorprinzip ..................................... 194
14.5 Se1bstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198
14.6 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
15 Schaltvorgange bei Spulen ................................ 204
15.1 Einschaltvorgang ..................................... 204
15.2 Abschaltvorgang.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 208
Inhal tsverzeichnis IX
15.3 Begriffsdefinitionen und Dbersicht flir die Gleichstromschalt-
vorgiinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 211
15.4 Vertiefung und Dbung ................................ " 213
16 Sinusformige Anderungen elektrischer GroEen . . . . . . . . . . . . . . . .. 214
16.1 Darstellung sinusformiger GroBen .......................... 214
16.2 Frequenz, Kreisfrequenz ................................ 218
16.3 Zeichnerische Darstellung u = f(t) und f(wt) . ................ " 221
16.5 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 222
17 Mittelwerte periodischer GroEen
223
17.1 Arithmetischer Mittelwert: Gleichanteil der GroBe .......... . . . .. 223
17.2 Gleichrichtwert ...................................... 225
17.3 Quadratischer Mitte1wert: Effektivwert der GroBe ............... 226
17.4 Scheitelfaktor (Crestfaktor), Formfaktor ..................... 228
17.5 Vertiefung und Dbung .................................. 231
18 Addition frequenzgleicher WechselgroEen .................... 234
18.1 Nullphasenwinkel, Phasenverschiebungswinkel . . . . . . . . . . . . . . . . .. 234
18.2 Addition von Wechselspannungen .......................... 236
18.3 Subtraktion von Wechselspannungen ........................ 238
18.4 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239
19 Idealer Schaltwiderstand im Wechselstromkreis ., .............. 241
19.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 241
19.2 Leistung und Energieumsetzung ........................... 242
19.3 Ohmsches Gesetz, Wirkwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 244
19.4 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 246
20 Idealer Kondensator im Wechselstromkreis
247
20.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 247
20.2 Leistung und Energieumsetzung ........................... 248
20.3 Ohmsches Gesetz, kapazitiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . .. 250
20.4 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 252
21 Ideale Spule im Wechselstromkreis .......................... 253
21.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 253
21.2 Leistung und Energieumsetzung ........................... 254
21.3 Ohmsches Gesetz, induktiver Blindwiderstand ..... . . . . . . . . . . . .. 256
21.4 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 258
22 Grundschaltungen im Wechselstromkreis
259
22.1 Parallelschaltung eines idealen Schaltwiderstandes und eines idealen
Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 259
22.1.1 Phaseniage zwischen Strom und Spannung . . . . . . . . . . . . . . .. 259
x
Inhaltsverzeichnis
22.1.2 Ohmsches Gesetz, Scheinleitwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 261
22.1.3 Ersatzschaltung des Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 262
22.1.4 Energieumsetzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 263
22.1.5 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 265
22.2 Reihenschaltung eines idealen Schaltwiderstandes mit einer idealen
Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 267
22.2.1 Phasenlage zwischen Strom und Spannung . . . . . . . . . . . . . . .. 267
22.2.2 Ohmsches Gesetz, Scheinwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 269
22.2.3 Ersatzschaltung der Spule ohne Eisen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 270
22.2.4 Energieumsetzung, Leistung ....................... " 271
22.3 Vertiefung und Ubung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 271
23 Einftihrung der komplexen Rechnung 273
23.1 Komplexe Darstellung von sinusformigen Grofben . . . . . . . . . . . . . . .. 273
23.2 Definition der Widerstands-und Leitwert-Operatoren ............. 278
23.3 Standard-Problemstellungen fUr komplexe Rechnung. . . . . . . . . . . . .. 282
23.3.1 Xquivalente Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 282
23.3.2 Komplexer Widerstand von Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . .. 283
23.3.3 Komplexer Spannungsteiler ......................... 286
23.3.4 Komplexer Stromteiler ............................ 287
23.3.5 Besondere Phasenbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 287
23.4 Schaltungsanalyse mit Hilfe von Zeigerdiagrammen . . . . . . . . . . . . . .. 289
23.4.1 Zeigerdiagrammtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 289
23.4.2 Zeigerdiagramm einer Phasenschieberschaltung. . . . . . . . . . . .. 290
23.4.3 Zeigerdiagramm zur Blindstromkompensation ... . . . . . . . . .. 291
23.4.4 Zeigerdiagramm der eisengeflillten Spule . . . . . . . . . . . . . . . .. 294
23.5 Ortskurven ......................................... 297
23.6 Vertiefung und Ubung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 303
24 Frequenzgang von RC-Gliedern ............................ 305
24.1 Frequenzgang ....................................... 305
24.2 Tiefpafb.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 306
24.3 Hochpafb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 310
24.4 Vertiefung und Ubung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 311
25 Schwingkreis, Resonanzkreis .............................. 313
25.1 Schwingkreis und freie Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 313
25.2 Reihen-Resonanzkreis .................................. 318
25.2.1 Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand .............. 319
25.2.2 Resonanzkurven bei konstanter Eingangsspannung . . . . . . . . .. 320
25.3 Parallel-Resonanzkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 323
25.3.1 Resonanzfrequenz und Resonanzwiderstand .............. 323
25.3.2 Resonanzkurve bei konstantem Eingangsstrom . . . . . . . . . . . .. 325
25.4 Bandbreite und Kreisgtite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 328
25.5 Vertiefung und Ubung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 329
Inhaltsverzeichnis XI
26 Transfonnatoren 331
26.1 Gesetze des idealen Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 331
26.2 Realer Transformator .................................. 335
26.3 Strom-und Spannungsverhalten des realen Transformators . . . . . . . . .. 338
26.4 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 342
27 Dreiphasensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 343
27.1 Drehstromquelle... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 343
27.2 Verkettungsmoglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 344
27.3 Potentialdiagramm des Viedeiter-Dreiphasensystems . . . . . . . . . . . . .. 346
27.4 Spannungen und Strome bei Sternschaltung der Verbraucher ........ 347
27.5 Spannungen und Strome bei Dreieckschaltung der Verbraucher . . . . . .. 350
27.6 Leistung bei Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 351
27.7 Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 353
27.8 Vertiefung und Dbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 354
Losungen der Ubungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 356
Memory 395
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 427