Handbuch Elektrische Energietechnik: Grundlagen · Anwendungen

895 Pages·1997·30.64 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Liviu Constantinescu-Simon (auth.), Prof. Dr.-Ing. Liviu Constantinescu-Simon (eds.)

LlVIU CONSTANTINESCU· SIMON (Hrsg.)
A DBUCH
ELEKTRISCH
ERGlE ECHNIK
HANDaUCH ELEKTRISCHE ENERGIETECHNIK
Verzeichnis der Autoren
Alfred Boge [Kap.4]
Autor anerkannter und bewahrter Fachbucher ur:ld PC-Studienprogrammen.
Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch [Kap. 8.3 bis 8.12 und Kap. 9 auBer 9.6.4]
lehrt an der FH Hannover und steht dem Fachgebiet Antriebe und Automatisierungstechnik vor.
Prof. Dipl.-Ing. Egon Doring [Kap.3]
lehrt an der FH Hannover in den Fachgebieten HF-Technik, Mikrowellentechnik und Werkstoffkunde.
Dr.-Ing. Karsten Dunte [Kap. 12.1]
ist in der Industrie tatig und ist leiter kundenorientierter Trainingsseminare im Bereich Automatisierungs
technik. Er ist lehrbeauftragter im Fachgebiet Antriebe und Automatisierungstechnik.
Prof. Dipl. -Ing. Hartmut Friedrich [Kap. 6]
lehrt an der FH Hannover in den Fachgebieten Datenverarbeitung, ProzeBinformatik und Automatisie
rungstechnik.
Prof. Dr. sc. techno Klaus Hammer [Kap. 10, auBer 10.4.2]
lehrt an der FH Kaiserslautern in den Fachgebieten Elektrische Energieversorgung und Hochspannungs
technik.
Prof. Dr.-Ing. Walter Heinecke [Kap.7]
lehrt an der FH Braunschweig/Wolfenbuttel in den Fachgebieten Elektrische MeBtechnik und Elektronische
Schaltungstechnik, Industrieelektronik und Digitaltechnik.
Prof. Dr.-Ing. nat. Ghassem Khoramnia [Kap. 1, Kap. 13]
lehrt an der FH Hannover im Fachgebiet Hochspannungstechnik.
Dr.-Ing. Tamas Onodi [Kap. 11]
ist leiter der Entwicklung und Qualitatssicherung im Bereich Energietechnik der Datwyler AG.
Prof. Dr.-Ing. Wilfried PlaBmann [Kap. 8.1, Kap. 8.2]
lehrt an der FH Hannover im Fachgebiet Elektrische MeBtechnik.
Prof. Dipl. -Ing. Eugen Schafer [Kap.5]
lehrte an der FH Hannover im Fachbereich Elektrotechnik.
Prof. Dipl.-Ing. Hermann Sehy [Kap.12.2]
lehrt an der FH Hannover im Fachgebiet Regelungstechnik und ProzeBautomatisierung.
Prof. Dr.-Ing. Liviu Constantinescu-Simon [Kap. 9.6.4]
lehrt an der FH Frankfurt im Fachgebiet Elektrische Maschinen und Antriebe.
Dr.-Ing. habil. Christian TuHas [Kap.lO auBer Kap. 10.4.2]
ist Privatdozent im Fachgebiet Elektrische Energieversorgung an der Universitat Kaiserslautern.
Prof. Dr.-Ing. Fred Wiznerowicz [Kap. 2, Kap. 10.4.2]
lehrt an der FH Hannover im Fachgebiet Technische Elektrizitatslehre.
LIVIU CONSTANTINESCU· SIMON (Hrsg.)
CH
ELEKTRISC E
NERGIET C IK
GRUNDLAGEN · ANWENDUNGEN
2., verbesserte Auflage
Mit 12 72 Bildern und 13 1 Tabellen
I I
Vleweg
1. Auflage 1996
2., verbesserte Auflage, 1997
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1997
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1997
Redaktion: Alfred Schubert
Der Verlag Vieweg ist ein Untemehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH.
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtitzt. Jede Verwer
tung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung
des Verlages unzuUissig und stratbar. Das gilt insbesondere fUr VervieIniltigungen,
Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung in elektronischen
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Gedruckt auf saurefreiem Papier
Satz: Lichtsatzzentrum GmbH, Budapest/Ungarn; Publishing Service Helga Schulz, 63303 Dreieich
Bilder: Pytheas GmbH, Budapest/Ungarn; Graphik & Text Studio Dr. Zettlmeier, 93164 Laaber .
ISBN-13: 978-3-322-85062-1 e-ISBN-13: 978-3-322-85061-4
DOl: 10.1007/978-3-322-85061-4
Vorwort
Die Idee zu diesem Buch entstand vor ein paar Jahren in einem Gesprach, das ich mit dem Chef
lektor des Vieweg-Verlages, Dipl.-Ing. Ewald Schmitt flihrte. Damals auBerte ich den Wunsch, ein
Handbuch tiber Elektrische Maschinen und Antriebe schreiben zu wollen, das gleichzeitig ein
komprimiertes Kompendium mit allen notwendigen Grenzbereichen wie z. B. spezielle Kapitel der
Mathematik, Elektrotechnik, Werkstoffe, MeBtechnik, Leistungselektronik, Regelungstechnik u. a.
beinhalten sollte. Wahrend meiner beruflichen Lautbahn hatte ich ein solches Buch beim Studium
. oder bei Auseinandersetzungen mit Problemen der elektrischen Maschinen vermiBt.
Der VIEWEG-Verlag schlug mir indes ein wesentlich komplexeres Projekt mit der Herausgabe des
vorliegenden Handbuches der Elektrischen Energietechnik vor. Mein besonderer Dank gilt meinen
distinguierten Kollegen der FH Hannover, FH Kaiserslautem, U Kaiserslautem, FH Wolfenbtittel
und der Elektroindustrie, deren Mitarbeit dieses schone, schwierige und komplexe Werk mit dem
Charakter eines Handbuches ftir Lehre und Praxis entstehen lieB.
Die technologische Entwicklung dieses Jahrhunderts ist beispiellos. Die Fachliteratur und die
Publikationen im Bereich der Elektrischen Energie erscheint taglich weltweit aufTausenden von
Seiten. Es ist dem Leser unmoglich, dieser Informationsflut erfolgreich nachzukommen und flir
jede Fragestellung die Antwort zu finden. Dieser Anspruch kann auch mit diesem Buch nicht
erhoben werden.
Das enorm reduzierte Volumen flir ein solches Vorhaben hat von den Autoren immer wieder Ver
zicht auf wichtiges Material abverlangt. Der Grundsatz, nur das zum Verstandnis der tibrigen
Abschnitte unbedingt Erforderliche zusammenzustellen, wurde dabei befolgt. Das vorliegende
Werk enthaIt in komprimierter Form das Grundlagenwissen der Ingenieurdisziplinen der elektri
schen Energietechnik. Es solI sowohl ein Kompendium flir Studenten, als auch eine fundierte
Arbeitsunterlage und ein umfassendes Nachschlagewerk fUr alle Elektroingenieure sein.
Die Bedeutung des Versuches, ein Lehrbuch, Nachschlagewerk und Handbuch in ein und demsel
ben Werk zu vereinigen, wird in einem Brief meines verehrten Kollegen Prof. Dr. Fred Wiznerowicz
1991 treIDich charakterisiert: " ... Meines Wissens ist es das erste Mal, daB ein solches Vorhaben
realisiert wird. Es war nur moglich durch intensive Diskussion im Kreis der Professoren. Inhalte
und Umfange waren in bisher nicht gekannter Weise abzustimmen".
Ich mochte die Wichtigkeit und gleichzeitig die Seltenheit eines solchen Gesamtwerkes hervor
heben und dem VIEWEG-Verlag an dieser Stelle zu der Entscheidung und zu der Durchftihrung
dieses Projektes gratulieren.
Die Entstehung des Buches erfolgte tiber mehrere Jahre. Raumliche Entfemungen der Autoren
muBten tiberwunden werden und das Bemtihen um eine einheitliche Darstellung und eine optimale
Gewichtung der verschiedenen Kapitel war durch die hohe Zahl der beteiligten Autoren und deren
ausgepragte Personlichkeit keine leichte Aufgabe. Dem Leser solI dies jedoch nicht zum Nachteil
werden; im Gegenteil. Die eventuelle Monotonie des Stils ist damit gebrochen, so daB die Vielfalt
der sprachlichen Struktur zum Spiegel verschiedenerTemperamente und Denkweisen wird und das
Lesen des Buches interessant und lebendig bleibt.
VI Vorwort
Am SchluB jedes Kapitels befinden sich Ubungsteile, sowie Literaturhinweise zur weiteren inhalt
lichen Vertiefung. Ein alphabetisches Sachverzeichnis und eine ausfUhrliche Inhaltsiibersicht soll
das Aufsuchen der Kapitel erleichtern.
Die Mehrheit der Autoren sind Professoren der Fachhochschule Hannover, die mit diesem Buch
wiirdig reprasentiert wird.
Die Kollegen Prof. Dr. Peter F. Brosch und Prof. Dr. Fred Wiznerowicz haben mich in meinen
Bemiihungen als Herausgeber in besonderer Weise unterstiitzt. Ihnen, sowie allen anderen Kol
legen und Autoren m6chte ich an dieser Stelle fUr ihre Mitarbeit nochmals danken.
Mein besonderer Dank gilt meiner Ehefrau Brigitte, die mich viele Jahre verstandnisvoll unterstiitzt
und meine zeitaufwendigen Aktivitaten mitgetragen und akzeptiert hat.
Das Urteil der Fachwelt bedeutet fUr dieses Werk Weiterentwicklung. Ich bitte die Professoren
anderer Hochschulen und Ingenieure aus der Praxis und Forschung urn ihre Stellungnahme.
Darmstadt, im August 1995 Prof Dr. Liviu Constantinescu-Simon
Vorwort zur 2. Auflage
Das vorliegende Buch wurde von der Fachwelt sehr positiv angenommen, so daB die zweite Auf
lage sehr schnell notwendig wurde.
Viele Kollegen haben uns mit kritischen Bemerkungen und Vorschlagen geholfen, diese zweite
Auflage zu verbessem. Allen denen, Professoren an deutschen Hochschulen, gilt mein Dank:
R. Haller, FH Regensburg; D. Nelles, Universitat Kaiserslautem; G. Lemberg, FHTW Berlin;
D. Schulz, FH Wiesbaden; A. Schwab, Universitat Fridericiana Karlsruhe, sowie die Herren
J. Wenge und W. Uhlman, TWK Leipzig.
Mein Dank gilt femer Herm Professor Dr.-Ing. AI. Fransua von der TU "Politehnica" Bukarest, der
uns mit einer besonders umfangreichen und kritischen Analyse des Buches einen wertvollen Beitrag
geliefert hat.
Aber mein ganz pers6nlicher Dank gilt schlieBlich den Autoren dieses Buches, deren Engagement,
Disziplin und vor allem deren Verstandnis unausweichlichen Schwierigkeiten gegeniiber, die
Erscheinung dieser zweiten Auflage ermoglichte.
Mein Dank gilt auch den Mitarbeitem im Verlag Vieweg, Herm Chef-Lektor DipI.-Ing. E. Schmitt
und Herm W. Nieger als technischem Redakteur, fUr die verstandnisvolle und fachkompetente
Umsetzung der erforderlichen Veranderungen.
Valensole, Alpes des Haute Provence,
im August 1997 Prof Dr.-Ing. Constantinescu-Simon
VII
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichenverzeichnis .....................................................
XXVIII
1 Mathematik ...................................................................... .
1.1 Lineare Algebra .................................................................... 1
1.1.1 Vektorrechnung.............................................................. 1
1.1.1.1 Grundbegriffe und Definitionen ........................................ 1
1.1.1.2 Rechenoperationen ................................................... 1
1.1.1.3 Vektorrechnung unter Verwendung der Koordinaten ........................ 2
1.1.2 Matrizenrechnung............................................................ 3
1.1.2.1 Grundbegriffe und Definitionen ........................................ 3
1.1.2.2 Rechenoperationen ................................................... 4
1.2 Funktionen........................................................................ 5
1.2.1 Grundbegriffe................................................................ 5
1.2.1.1 Definition einer Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1.2 Moglichkeiten der Darstellung einer Funktion ........................... 5
1.2.1.3 Einige Eigenschaften der Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1.4 Charakteristische Merkmale von Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1.5 Umkehrfunktion ..................................................... 6
1.2.1.6 Grenzwert der Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1.7 Stetigkeit der Funktionen . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Ganze rationale Funktionen ................................................... 9
1.2.2.1 Abspalten von Linearfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2.2 Homer-Schema ...................................................... 9
1.2.3 Gebrochene rationale Funktionen .............................................. 9
1.2.4 Aigebraische Funktionen ...................................................... 10
1.2.5 Potenz-und Wurzelfunktionen ................................................. 10
1.2.6 Elementare transzendente Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.2.6.1 Exponentialfunktionen................................................ 11
1.2.6.2 Logarithmusfunktionen ............................................... II
1.2.6.3 Trigonometrische Funktionen .......................................... 12
1.2.6.4 Arcusfunktionen...................................................... 14
1.2.6.5 Hyperbelfunktionen................................................... 15
1.2.6.6 Areafunktionen ...................................................... 16
1.3 Differentialrechnung ................................................................ 17
1.3.1 Einleitung................................................................... 17
1.3.2 Ableitung einiger Funktionen .................................................. 18
1.3.3 Rechenregeln der Differentialrechnung .......................................... 18
1.3.3.1 Ableitung einer Funktion mit konstantem Faktor ........................ 18
1.3.3.2 Ableitung der Summe mehrerer Funktionen (Summenregel) . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3.3 Ableitung des Produktes mehrerer Funktionen (Produktregel) . . . . . . . . . . . . .. 19
1.3.3.4 Ableitung des Quotienten zweier Funktionen (Quotientenrege1) . . . . . . . . . . . .. 19
1.3.3.5 Ableitung der mittelbaren Funktion (Kettenregel) ........................ 19
1.3.4 Anwendungen der Differentialrechnung ......................................... 19
1.3.4.1 Grenzwertbestimmung mit Hilfe des Satzes von de I'Hospital .............. 19
1.3.4.2 Kurvendiskussion..................................................... 20
1.4 Integralrechnung ................................................................... 20
1.4.1 Unbestimmtes Integral ........................................................ 20
1.4.2 Partikuliires Integral .......................................................... 21
1.4.3 Bestimmtes Integral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
1.4.4 Grundintegrale............................................................... 21
VIII Inhaltsverzeichnis
1.4.5 Integrationsregeln ............................................................ 21
1.4.5.1 Summenregel......................................................... 21
1.4.5.2 Faktorenregel........................................................ 22
1.4.5.3 Vertauschen der Integrationsgrenzen .................................... 22
1.4.5.4 Zerlegung des Integrationsintervalles .................................... 22
1.4.6 Integrationsmethoden......................................................... 22
1.4.6.1 Substitution.......................................................... 22
1.4.6.2 Partielle Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.6.3 Integration gebrochen rationaler Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
1.4.7 Anwendungen der Integralrechnung ............................................ 23
1.4.7.1 Berechnung der Bogenlange einer ebenen Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
1.4.7.2 Flacheninhalt ........................................................ 23
1.4.7.3 Mantelflache und Volumen eines Rotationskorpers ........................ 23
1.4.7.4 Schwerpunktskoordinaten.............................................. :!~
1.5 Komplexe Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
1.5.1 Definitionen ................................................................ 24
1.5.2 Rechenregeln................................................ . . . . . . . . . . . . . . .. 24
1.5.2.1 Addition und Subtraktion komplexer Zahlen .............................. 24
1.5.2.2 Multiplikation einer komplexen Zahl mit einer reellen Zahl ................ 24
1.5.2.3 Multiplikation komplexer Zahlen ....................................... 24
1.5.2.4 Division komplexer Zahlen ............................................ 24
1.5.3 GauBsche Zahlenebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.4 Euler-Gleichung; Potenzieren, Radizieren und Logarithmus der komplexen Zahlen . .. 25
1.5.5 Anwendung der komplexen Rechnung .......................................... 26
1.6 Fourier-Reihen..................................................................... 26
1.6.1 Fourier-Reihe der periodischen Funktionen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
1.6.2 Harmonische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
1.6.3 Wichtige Fourierentwicklungen .......................... " , ... , . . . . . . . . . . . . . . .. 29
I. 7 Laplace-Transformation .................................. """.,................... 30
1.7.1 Grundbegriffe ........ "",."" .. " .. , .. , .. ,................................. 30
1.7.2 Siitze der Laplace-Transformation ................................. " .... , ... ,'. 30
1.7J Laplace-Transformation der periodischen Funktionen .. , , . , , . , , , , , , , , , , , , , , . . . . . .. 32
1.7.4 Laplace-Transformierte der wichtigsten periodischen Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
1.7,5 Inverse Laplace-Transformation. , ..................... " , ,. , .. ,. . . .. . . . . . . . . . .. 33
1,8 Gewohnliche Differentialgleichungen .......................... , .. ,', .. , .... ,.......... 35
1.8.1 Begriffe und Klassifizierung ............... , . , , .. , , ....................... , .. , " 35
1.8.2 Losung der Differentialgleichungen I. Ordnung .... ,""""',................... 35
1.8.2.1 Differentialgleichungen mit trennbaren Variablen , ... "................... 35
1,8,2,2 Durch Substitution losbare Differentialgleichungen ............... ,"",.. 35
1.8.2.3 Lineare Differentialgleichungen ........... , , , , , , . , , ..... , . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.8.3 Losungsweg der auf Differentialgleichungen I. Ordnung zuriickfUhrbaren Differential- 38
gleichungen 2. Ordnung ......... " .. " .. , ....................... ,.,""', ... ,.
1,8.4 Losung der linearen Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten .......... , 39
1.9 Literatur ............... ,", .. " ................... ,."., .. , .................... ," 41
2 Grundlagen der Elektrotechnik ............. ,., ........... ,", ............. ".
42
2.1 GrundgroBen des elektrischen Stromungsfeldes ....................... , ................ , 42
2.1.1 Ladung ........ " ................ , ............... " .. , ...................... 42
2.1.2 Elektrisches Feld ... ,', .............. , ............. " ... , .. " ............. ,'" 42
2.1.3 Strom, Stromdichte , .... , ............ ,", ........... , ... , ............. "...... 42
2.1.4 Energie, Leistung, Spannung, Potential ....... , ............................. , , ,.. 43
2.1.5 Widerstand ...... ,., ............. " ................ "." ............ , .. ".... 44
2.1.6 Beispie1e ....... , ................ , ............ ,', ........... ,." .. , ......... , 45
2,2 Unverzweigter Stromkreis an Gleichspannung , ............... , .............. , . . . .. . . . .. 45
2.2.1 Bepfeilung an einem Zweipol " ............ , .............. "................... 45
2.2.2 Reihenschaltung von Widerstanden bzw. Spannungsquellen ...... , . , ........... , , .. 46
2,2.3 Arbeitspunkt im Strom-Spannungs-Diagramm ..... " ............. ,., ........ ,.,' 46
1 Mathematik / 2 Grundlagen der Elektrotechnik IX
2.3 Verzweigter Stromkreis an Gleichspannung ........................................... . 47
2.3.1 Parallelschaltung von Widerstiinden ........................................... . 47
2.3.2 Belasteter Spannungsteiler .................................................... . 47
2.3.3 Kompensationsschaltung ..................................................... . 47
2.3.4 Briickenschaltung ........................................................... . 47
2.3.5 Stern-Dreieck-Transformation ................................................ . 48
2.3.6 Aquivalente Ersatzquellen .................................................... . 48
2.4 Berechnung linearer Netze an Gleichspannung ........................................ . 49
2.4.1 Direkte Anwendung der Kirchhoffschen Gesetze ................................ . 49
2.4.2 Uberlagerungsverfahren ...................................................... . 49
2.4.3 Ersatzzweipolquelle .......................................................... . 49
2.4.4 Maschenstromverfahren ...................................................... . 50
2.4.5 Knotenpotentialverfahren .................................................... . 50
2.5 Elektrische Energie und Leistung bei Gleichspannung .................................. . 51
2.5.1 Wirkungsgrad und Anpassung ................................................ . 51
2.5.2 Reflexion ................................................................... . 51
2.6 Elektrostatisches Feld .............................................................. . 52
2.6.1 Grundbegriffe ............................................................... . 52
2.6.2 Berechnung elektrostatischer Felder ........................................... . 52
2.6.2.1 Feld einer geladenen Kugel ........................................... . 53
2.6.2.2 Feld eines langen, geraden Leiters ..................................... . 53
2.6.2.3 Feld in der Umgebung mehrerer Ladungen ............................. . 53
2.6.2.4 Feld an Grenzfliichen ................................................ . 53
2.6.3 Kapazitiit von Kondensatoren ................................................. 54
2.6.4 Energie des elektrischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
2.6.5 Kriifte im elektrischen Feld .................................................... 55
2.6.6 Beispiele .................................................................... 55
2.7 Magnetisches Feld .................................................................. 55
2.7.1 Grundbegriffe................................................................ 55
2.7.2 Berechnung magnetischer Felder bei Il-, = const .................................. 57
2.7.2.1 Stromdurchflossener Leiter ............................................ 57
2.7.2.2 Koaxialkabel......................................................... 57
2.7.2.3 Magnetfe1d zweier paralleler Leiter ..................................... 57
2.7.2.4 Zylinderspule, Ringspule .............................................. 57
2.7.2.5 Magnetischer Kreis mit abschnittsweise homogenen Teilfeldern .............. 58
2.7.2.6 Magnetisches Feld an der Grenze zweier Werkstoffe ........................ 58
2.7.3 Berechnung magnetischer Kreise mit Eisen ...................................... 58
2.7.4 Magnetische Kreise mit Dauermagneten ........................................ . 59
2.8 Induktionsvorgiinge ................................................................ . 60
2.8.1 Induktionsgesetz ............................................................ . 60
2.8.2 Selbstinduktion, Selbstinduktivitiit ............................................. . 62
2.8.2.1 Zylinderspule bzw. Ringspule ......................................... . 62
2.8.2.2 Doppelleitung der Liinge I ............................................ . 62
2.8.2.3 Koaxialkabel ........................................................ . 62
2.8.3 Gegeninduktion, Gegeninduktivitiit ............................................ . 63
2.9 Energie und Kraft im magnetischen Feld ............................................. . 64
2.10 Zusammenstellung zum e1ektrischen und magnetischen Fe1d ............................ . 66
2.10.1 Stationiires elektrisches Stromungsfe1d ......................................... . 66
2.10.2 Elektrostatisches Fe1d ........................................................ . 66
2.10.3 Magnetisches Feld ........................................................... . 67
2.11 Sinusformige WechselgroBen ........................................................ . 67
2.11.1 Benennungen und Festlegungen ............................................... . 67
2.11.2 Komplexe Darstellung ....................................................... . 68
2.12 Passive Zweipole iffi Wechselstromkreis .............................................. . 69
2.12.1 Widerstand ................................................................. . 69
2.12.2 Induktivitiit ................................................................. . 70
2.12.3 Kapazitiit .................................................................. . 70
2.12.4 Allgemeiner passiver Zweipol ................................................. . 71
x
Inhaltsverzeichnis
2.12.5 Grundschaltungen bei Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
2.12.5.1 Spannungsteiler ..................................................... 71
2.12.5.2 Stromteiler.......................................................... 71
2.12.5.3 Briickenschaltung.................................................... 72
2.12.5.4 Reihen- und Parallel-Ersatzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
2.12.5.5 Wirkungsgrad, Anpassung, Reflexionsfaktor ............................ 72
2.12.5.6 Blindleistungskompensation (Verbesserung des Leistungsfaktors) .......... 73
2.12.5.7 Resonanz........................................................... 73
2.13 Ortskurven ........................................................................ 74
2.13.1 Allgemeines......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74
2.13.2 Inversion................................................................... 74
2.13.3 Gerade..................................................................... 75
2.13.4 Kreis durch den Nullpunkt ................................................... 75
2.13.5 Kreis in allgemeiner Lage .................................................... 77
2.13.6 Beispiele ................................................................... 77
2.14 Drosselspule und Transformator .................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77
2.14.1 Drosselspu1e mit Eisenkem ................................................... 77
2.14.2 Der lineare Ubertrager (Lufttransformator) ...................................... 77
2.14.3 T-Ersatzschaltung des Transformators .......................................... 78
2.15 Drehstromsystem ................................................................... 79
2.15.1 Erzeugung des Drehstromes .................................................. 79
2.15.2 Verbraucherschaltungen...................................................... 80
2.15.3 Leistung bei Drehstrom ...................................................... 81
2.15.4 Beispiele ................................................................... 81
2.16 Schaltvorgange ..................................................................... 82
2.16.1 Gesetze der Ausgleichsvorgange in linearen Systemen ............................ 82
2.16.2 Einscha1ten................................................................. 83
2.16.3 Ausschalten................................................................. 84
2.17 Wanderwellen auf elektrischen Leitungen .............................................. 85
2.17.1 Allgemeines................................................ . . . . . . . . . . . . . . . .. 85
2.17.2 Reflexion und Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85
2.17.3 Beispiele ................................................................... 86
2.18 Literatur ......................................................................... 87
3 Werkstoffe ......................................................................... 89
3.1 Aufbau der festen Korper ........................................................... 89
3.1.1 Werkstoffe................................................................... 89
3.1.2 Kristalle..................................................................... 89
3.1.3 Elementarzelle ............................................................... 89
3.1.4 Gitterfehler.................................................................. 90
3.2 Elektrische Leitfahigkeit ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
3.2.1 Leitungsmechanismus......................................................... 91
3.2.2 Isolator ..................................................................... 93
3.2.3 Halbleiter ................................................................... 93
3.2.4 Normalleiter................................................................. 93
3.2.5 Supraleiter................................................................... 94
3.2.6 Halleffekt ................................................................... 94
3.3 Elektrische Leiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96
3.3.1 Normalleiter......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96
3.3.2 Halbleiter ................................................................... 97
3.3.2.1 Dotierung ........................................................... 97
3.3.2.2 Verbindungshalbleiter................................................. 99
3.3.3 Supraleiter................................................................... 99
3.4 Magnetische Leitrahigkeit ........................................................... 99
3.4.1 Modellvorstellung............................................................ 99
3.4.2 Verhalten von Materie im Magnetfeld .......................................... 100
3.4.2.1 Diamagnetismus ...................................................... 100
3.4.2.2 Paramagnetismus..................................................... 100
3.4.2.3 Ferromagnetismus.................................................... 100
3.4.2.4 Antiferromagnetismus................................................. 100
3.4.2.5 Ferrimagnetismus..................................................... 100