Elektrotechnik und Elektronik: Für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker PDF
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Rudolf Busch Elektrotechnik und Elektronik Für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker 7. Auflage Elektrotechnik und Elektronik Rudolf Busch Elektrotechnik und Elektronik Für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker 7., überarbeitete Auflage RudolfBusch Farsleben,Deutschland ISBN978-3-658-09674-8 ISBN978-3-658-09675-5(eBook) DOI10.1007/978-3-658-09675-5 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©SpringerFachmedienWiesbaden1994,1996,2003,2006,2008,2011,2015 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Das giltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEin- speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesemWerk be- rechtigtauch ohnebesondere Kennzeichnung nicht zuderAnnahme, dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebung alsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenin diesemWerkzumZeitpunkt derVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnoch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit,Gewähr für den Inhalt des Werkes,etwaigeFehleroderÄußerungen. Lektorat:ThomasZipsner UnterMitarbeitvon:Univ.Prof.Dr.-Ing.JanaKertzscher,TechnischeUniversitätBergakademieFreiberg GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. SpringerFachmedienWiesbadenGmbHistTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia (www.springer.com) Wenn Du ein Schiffbauen willst, dann trommlenichtMänner zusammen, umHolz zu beschaffen, Aufträgezu vergeben oder Arbeit zu verteilen, sondern lehre siedieSehnsucht nach demweiten, endlosen Meer. AntoinedeSaint-Exupéry Vorwort zur 7. Auflage In der vorliegendenAuflagewurdeninsbesonderedieKapitel über Elektronikund elek- trischeEnergietechnikanStellen,andenenesvertretbarwar,teilweisestarkgekürztund auf diese Weise eine straffere Darbietung des Stoffes erzielt. Diese Änderungen haben sichaufeinigeTeiledesBuchesdergestaltausgewirkt,dasssicheinevollständigeDurch- sichterforderlichmachte.DabeiwurdenkleinereFehlerbeseitigtunddieVerweiseinden Texten richtig gestellt. In den Abschnitten über die elektrischen Maschinen ist die De- monstrationderDrehfeldentstehungverbessertwordenundeswurdenaneinigenStellen modernereAbbildungen eingefügt. Darüber hinaus sind neuere Entwicklungen auf dem GebietderSynchronmotorenmitPermanentmagnetberücksichtigtworden,dieinfolgeder EntwicklungverbesserterMagnetwerkstoffemöglichwaren.Einneuer,kurzerAbschnitt überdieDarstellungvonStromundSpannungimFrequenz-undZeitbereichstelltbeide MethodengegenüberundunterstreichtdieBedeutungdersymbolischenMethodefürdie Berechnungvon Wechselstromschaltungen. Die Kap. 1 (Elektrisches Feld), 2 (Magneti- sches Feld), 3 (Berechnung von Gleichstromkreisen) und 10 (Elektrische Messtechnik) sindgegenüberdervorherigenAuflageunverändertgeblieben. Danken möchte ich Frau Prof. Dr.-Ing. Jana Kertzscher, die mir Hinweise zur Präzi- sierung einiger Textstellen gegeben und zu den elektrischen Maschinen gegenüber den bisherigenAuflagenverbesserteAbbildungenzurVerfügunggestellthat. Darüberhinausdankeich demVerlagfürseineUnterstützung beiderErstellung vor- liegenderAuflage. FarslebenbeiMagdeburg,imAugust2015 VII Vorwort zur 1. Auflage DasvorliegendeBuchistausVorlesungenentstanden,dieichübervieleJahrehinwegfür StudierendederIngenieurwissenschafteninnichtelektrotechnischenStudienrichtungenan derTechnischenUniversität„OttovonGuericke“Magdeburggehaltenhabeundseit1991 anderUniversitätGHEssendurchführe. Es gehört zu den wichtigen Erfahrungen meiner Lehrtätigkeit, dass es den Lernen- den, die keinen elektrotechnischen Berufausüben oder ausüben wollen, sich jedoch mit Elektrotechnik undElektronik befassen müssen, häufig sehr schwerfällt, sich in der Ge- dankenwelt der Elektrizitätslehre zurechtzufinden. Allzu oft treten dann Misserfolg und ResignationeinunddieStudierendensindfroh,wennendlichdieElektrotechnikprüfung abgelegtunddiesesFach„überstanden“ist.VondemvermitteltenStoffbleibenbeiihnen oftnureinigewenigeBegriffeoderdiffuseVorstellungenimGedächtnis,mitdenensiein ihrerIngenieurpraxisweniganzufangenwissen. NachmeinerÜberzeugungkannmandementgegenwirken,wenndasinsogenannten „Nebenfächern“oftpraktizierte„black-box-Denken“verlassenundmehrdanachgefragt wird, was sich in der „box“verbirgt, welche grundlegendenphysikalischen Zusammen- hänge dort existieren, d.h., wenn man sich darum bemüht, die Erscheinungen wirklich zu verstehen. Denn nur mit dem, was man begriffenhat, kann man erfolgreicharbeiten, beispielsweiseweitergehendeStudiendurchführenoderSchlussfolgerungenfürdaseige- neFachgebietziehen.AlleinaufderBasissolidenGrundlagenwissenswirdmaneinguter SpezialistinderPraxis.EsgibtfürmichkeinenerkennbarenGrund,hierdas„Nebenfach“ (ichgebrauchediesesWortungern)auszuschließen,weilesnichtnurBestandteildesStu- diums,sondernohneZweifelauchderPraxisist,wasinbesonderemMaßefürdieElek- trotechnikzutrifft,dermaninWissenschaftundTechnikaufSchrittundTrittbegegnet. DasvorliegendeBuchhabeichmitdemZielgeschrieben,auchdendiesemFachgebiet fernerstehendenStudierenden,IngenieurenundanderenInteressiertendiephysikalischen ZusammenhängeinderElektrizitätslehreundinderenwichtigstenAnwendungsgebieten deutlich zu machen. Dabei war ich stets bemüht, von einfachen, der Leserin oder dem Leser oft aus eigener Erfahrung bekannten Phänomenen auszugehen und darauf Schritt fürSchrittaufbauendzukomplizierterenZusammenhängenzuführen. Dieser Orientierung habe ich u.a. dadurch Rechnung getragen, dass die Behandlung derFelderandenAnfangdesLehrbuchesgestelltwurde.Ausihnenlassensichdietechni- IX X Vorwortzur1.Auflage schenGrundlagenderElektrotechnikanschaulichableiten.BeiderDarlegungderAnwen- dungenwarichdarüberhinausbestrebt,auchmodernsteEntwicklungeneinzubeziehen. DasBuchwendetsichanalle,fürdieinStudiumoderBerufKenntnissederGrundlagen der Elektrotechnik und Elektronik sowie ihrer Anwendungen notwendig sind. Der Stoff entsprichtetwadenAnforderungen,dieheuteaneinemoderneIngenieurausbildung,bei der Elektrotechnik nicht das Hauptfach bildet, gestellt werden. Das Buch ist auch für StudierendederElektrotechnikindenAnfangssemesterngeeignet. VorkenntnisseinPhysikundMathematiksindimRahmendessenwünschenswert,was in natur- und ingenieurwissenschaftlichen Studienrichtungen an Universitäten, Techni- schenHochschulenundFachhochschulenimerstenStudienjahrgebotenwird. DiedenHauptabschnittennachgestelltenÜbungsaufgabensindbezüglichihresSchwie- rigkeitsgrades dem Leserkreis angemessen. IhreLösungen werden am Endedes Buches angegeben.Siesollendazudienen,denStoffzuvertiefenunddieKenntnissezuerweitern. BeimeinemwissenschaftlichenMitarbeiter,HerrnDipl.-Ing.SvenHilfert,möchteich mich für die wertvolle Hilfe bei der computergestütztenErstellung der Bilder und beim Durchrechnen der Übungsaufgaben bedanken. Weiterhin gilt mein Dank Herrn Dr. Jens Schlembach vom Teubner-Verlag für die gute Zusammenarbeit, den im Text genannten FirmenfürdieÜberlassungvonBildmaterialundmeinenehemaligenMagdeburgerKol- legen für die Beisteuerung einiger Übungsaufgaben. Schließlich bedanke ich mich bei meinerFrauIngridfürvieleHinweiseundtatkräftigeUnterstützungbeimKorrekturlesen. Essen,imFrühjahr1994 RudolfBusch Zusammenstellung der Formelzeichen A Fläche,BetrageinerkomplexenZahl a Abstand(z.B.zwischenzweiLeitern) B Magnetflussdichte,Blindleitwert C Kapazität c Maschinenkonstante D Verschiebungsflussdichte d Abstand(z.B.zwischenzweiPunkten) dA Flächenelement ds Wegelement E elektrischeFeldstärke e Elementarladung,Messabweichung F Kraft,Faraday-Konstante f Frequenz G Leitwert,Wirkleitwert h PlanckschesWirkungsquantum H magnetischeFeldstärke I,i Stromallgemein î Stromamplitude I¯ Strommittelwert I Leerlaufstrom 0 I Kurzschlussstrom k J Massenträgheitsmoment j imaginäreEinheit k Kopplungsfaktor(z.B.zwischenzweiSpulen),Boltzmann-Konstante L Induktivität l Länge(z.B.einesLeiters) M Gegeninduktivität,Motormoment M Nennmoment N M WiderstandsmomentoderGegenmoment W m Masse N Windungszahl XI XII ZusammenstellungderFormelzeichen N Avogadro-Konstante A n Drehzahl,Elektronendichte n Leerlaufdrehzahl 0 n Synchrondrehzahl s P elektrischeLeistung,Wirkleistung p Löcher-bzw.Defektelektronendichte,MomentanwertderWirkleistung Q elektrischeLadung,Blindleistung q elektrischeLadung R elektrischerWiderstand,Wirkwiderstand R Außen-oderVerbraucherwiderstand a R Ersatzwiderstand ers R Innenwiderstand i R magnetischerWiderstand m S Stromdichte,Scheinleistung s Schlupf,Standardabweichung T Periodendauer,absoluteTemperaturinGradKelvin t Zeit U,u Spannungallgemein û Spannungsamplitude U¯ Spannungsmittelwert U MittelwerteinergleichgerichtetenSpannung d U MittelwerteinergleichgerichtetenSpannungbeimZündwinkel˛ d˛ U MittelwerteinergleichgerichtetenSpannungbei˛=0 d0 U Hauptfeldspannung h U ,u Quellenspannung q q U Polradspannung p ü Übersetzungsverhältnis V MagnetischeSpannung v Geschwindigkeit W Arbeit,Energie W Austrittsarbeit a W Ionisierungsarbeit i X Blindwiderstand X synchroneReaktanzodersynchronerBlindwiderstand d X HauptreaktanzoderHauptblindwiderstand h x Ortskoordinate Y komplexerScheinleitwert Z komplexerScheinwiderstandoderImpedanz,Wellenwiderstand z ZahlregistrierterImpulse ˛ TemperaturkoeffizientdeselektrischenWiderstandes(TK),Dämpfungskonstante, Zündwinkel ˇ Phasenkonstante
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