Moeller Grundlagen der Elektrotechnik PDF
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Heinrich Frohne. Karl-Heinz Löcherer. Hans Müller Moeller Grundlagen der Elektrotechnik Leitfaden der Elektrotechnik Begründet von Professor Dr.-Ing. Franz Moeller Herausgegeben von Professor Dr.-Ing. Hans Fricke, Braunschweig Professor Dr.-Ing. Heinrich Frohne, Hannover Professor Dr.-Ing. Karl-Heinz Löcherer, Hannover Professor Dr.-Ing. Jürgen Meins, Braunschweig Professor Dr.-Ing. Rainer Scheithauer, Furtwangen Professor Dr.-Ing. Hermann Weidenfeiler Grundlagen der elektrischen Nachrichtentechnik von H. Fricke, K. Lamberts und E. Patzelt Elektrische Netzwerke von H. Fricke und P. Vaske Grundlagen der Regelungstechnik von F. Dörrscheidt und W. Latzel Moeller Grundlagen der Elektrotechnik von H. Frohne und K.-H. Löcherer Hochspannungstechnik von G. Hilgarth Elektrische Energietechnik von D. Nelles und C. Tuttas Signale und Systeme von R. Scheithauer Teubner B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig· Wiesbaden Heinrich Frohne, Karl-Heinz Löcherer, Hans Müller Moeller Grundlagen der Elektrotechnik 19., korrigierte und durchgesehene Auflage Mit 383 teils mehrfarbigen Abbildungen, 36 Tafeln und 172 Beispielen Teubner B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig' Wiesbaden Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhältlich. Begründet von Prof. Dr.-Ing. Franz Moeller, Universität Hannover Prof. Dr.-Ing. Hans Müller lehrt an der FH Aachen/JÜlich. Prof. Dr.-Ing. Heinrich Frohne und Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Löcherer lehrten an der Universität Hannover. 17. Auflage 1991 18. Auflage 1996 19., korrigierte und durchgesehene Auflage April 2002 ISBN 978-3-322-93890-9 ISBN 978-3-322-93889-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93889-3 Alle Rechte vorbehalten © B. G. Teubner GmbH, StuttgartiLeipzig/Wiesbaden, 2002 Der Verlag B. G. Teubner ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. www.teubner.de ••• ~ e'.~o::,.,o.. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwer . i>S~1~ ~ tung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung _ ./f, ~ ~ des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, "''0" /: Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in ·"0 c .... elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. V orwort zur 18. Auflage Länger als ein halbes Jahrhundert besteht nun schon der "Moeller, Grundlagen der Elektrotechnik", ein Lehrbuch, das viele Studenten während ihres Studiums begleite te, sie in das notwendige Grundwissen einführte und das - den Fortschritten der Leh re jeweils angepaßt - in siebzehn Auflagen Anerkennung fand. Es wurde zu einem Standardwerk für die Ausbildung von Elektroingenieuren und zum Fundament für die Teubner-Lehrbuchreihe "Leitfaden der Elektrotechnik". In der Grundlagenausbildung, der der vorliegende Band gewidmet ist, hat sich infolge der Reformen im Hoch- und Fachhochschulbereich über die unterschiedlichen Aus bildungsinstitutionen ein breites Feld differenzierter Forderungen entwickelt, das sich zwischen den Extremen einer mathematisch abstrakten, aber auch verbal anschauli chen, einer theoretisch physikalischen, aber auch anwendungsbezogenen Darstellung erstreckt. Um nun dieser Entwicklung mit einer auf die individuellen Ansprüche der Leser abgestimmten, also für den Käufer effektiven Darstellung zu genügen, wurde in der Leitfadenreihe der klassische Grundlagenstoff bereits vor Jahren auch in einer dreibändigen Ausgabe "Elektrische Netzwerke", "Elektrische und magnetische Fel der" und "Elektrische und magnetische Eigenschaften der Materie" dargestellt. Da neben wurde die einbändige Ausgabe der "Grundlagen der Elektrotechnik" in der bewährten Konzeption der an dem Schwierigkeitsgrad des Stoffes orientierten, auf einander aufbauenden Reihung der Einzelthemen weitergeführt. In diesem Buch wird der Studienanfänger mit den von der Schulzeit her geläufigen Begriffen zunächst in die Grundlagen der auf Gleichstromvorgänge eingeschränkten Netzwerklehre und erst danach in die abstraktere Lehre des elektromagnetischen Feldes eingeführt. So vorbereitet kann dann die Netzwerklehre mit der Erweiterung auf die zeitveränderlichen Vorgänge fortgesetzt werden. In der vorliegenden, voll ständig überarbeiteten Auflage sind also weiterhin die unabdingbaren Grundkennt nisse über elektrische Netzwerke, elektromagnetische Felder und das elektrische Ver halten der Materie mit zahlreichen Beispielen praxisnah und anschaulich erläutert. Um dem Bedürfnis nach einer erweiterten, gegebenenfalls auch über das aktuelle Studien anliegen hinausgehenden, vertiefenden Auseinandersetzung mit dem Stoff nachkommen zu können, sind entsprechende Hinweise auf die parallel zur einbändi gen Ausgabe konzipierte dreibändige Darstellung eingefügt. Der Leitfadentradition entsprechend wird auch in der vorliegenden Ausgabe großer Wert auf eine gute physikalische Erklärung der betrachteten Phänomene, eine mög lichst einfache mathematische Behandlung der vorliegenden Aufgaben und eine di daktisch aufbereitete Anleitung zur selbständigen Anwendung der dargestellten Ver fahren gelegt. Auf diese Weise soll die Motivation zum Lernen gefördert, dem An fänger ein Gefühl für praktische Gegebenheiten vermittelt und die Anwendung der VI Vorwort Theorie erleichtert werden. Daher eignet sich dieses Buch auch für das Selbststudium und für den in der Praxis tätigen Ingenieur als Nachschlagewerk. Die Grundlagen der Elektrotechnik beginnen mit dem neu gestalteten Kapitel 1, in dem die für die nachfolgenden Kapitel benötigten Grundbegriffe erläutert werden. Hierzu gehören die physikalischen Größen und Einheiten ebenso wie die Begriffe Strom und Spannung sowie Richtung und Polarität dieser Größen und ihre Darstel lung mit Hilfe von Zählpfeilen. Kapitel 2 behandelt die wesentlichen Gesetze und Berechnungsverfahren für Gleichstrom-Netzwerke sowie die mit der elektrischen Strömung verbundenen Energieumwandlungen. Kapitel 3 ist gegenüber der 17. Auflage erweitert um die am Beginn eingefügten Ab schnitte, in denen die elektrische Ladung in ihren Erscheinungsformen, in ihrer Defi nition, in der formalen Beschreibung ihrer räumlichen Verteilung und in den von ihr ausgehenden Wirkungen erläutert ist. Dabei werden mit der allgemeinen Beschrei bung der zwischen zwei Punktladungen auftretenden Kraftwirkung, d. h. mit dem Coulombschen Gesetz bereits am Anfang die fundamentalen Feldbegriffe anschau lich hergeleitet, auf denen die dann weiter ausführlich behandelte elektromagnetische Feldlehre beruht. Weiter folgt in Kapitel 3 wie bereits in der 17. Auflage zunächst das elektrische Strömungsfeld, da dieses noch in Analogie zu den körperlich realen hy dromechanischen Modellvorstellungen erläutert werden kann. Erst danach sind in Kapitel 3 mit nur geringfügigen Änderungen gegenüber der 17. Auflage das elektri sche Feld in Nichtleitern und im Kapitel 4 das magnetische Feld dargestellt. Kapitel 5 führt in die Sinusstromtechnik und ihre Behandlung mit der komplexen Rechnung ein und legt so die Grundlagen für die in Kapitel 6 erläuterten Berech nungsverfahren für Sinusstrom-Netzwerke. In Kapitel 7 sind die durch Ortskurven ermöglichte, übersichtliche Darstellung para meterabhängiger SchaItungseigenschaften sowie die charakteristischen Eigenschaften von Schwingkreisen behandelt. Aufbau und Eigenschaften von Mehrphasensystemen, insbesondere des symmetri schen Dreiphasensystems werden in Kapitel 8 erläutert. Kapitel 9 ist völlig neu ge schrieben worden; es ersetzt die beiden in der 17. Auflage noch separat geführten Kapitel über allgemeine periodische Ströme und Spannungen sowie über Schaltvor gänge. Der elektrische Leitungsmechanismus in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern wird anders als in der 17. Auflage erst gegen Ende des Buches in Kapitel 10 darge stellt; dadurch stehen die zum Verständnis erforderlichen elektrotechnischen Grund lagenkenntnisse bereits zur Verfügung. Kapitel 11 ist eigens den Halbleiterbauele menten gewidmet, um ihrer in allen Bereichen der Elektrotechnik herausragenden Bedeutung gerecht zu werden. Die Verfasser danken den Fachkollegen für viele kritische Bemerkungen, die bis heu te die Entwicklung dieses Lehrbuchs begleiteten und unterstützten, und bitten auch um weitere konstruktive Hinweise. Dem Verlag danken sie wieder vielmals für seine verständnisvolle Mithilfe zum Gelingen des Werkes. Hannover, Jülich, im Januar 1996 Heinrich Frohne, Karl-Heinz Löcherer, Hans Müller Inhalt 1 Grundbegriffe (Hans Müll er) 1.1 Physikalische Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 1.1.1 Physikalische Größen ........................ 1 1.1.1.1 Charakter der physikalischen Größen. 1.1.1.2 Formel zeichen und ihre Darstellung. 1.1.1.3 Gerichtete Größen, Vek toren. 1.1.1.4 Zeitabhängige Größen. 1.1.1.5 Komplexe Grö- ßen 1.1.2 Einheiten ............................... 4 1.1.2.1 SI -Basiseinheiten. 1.1.2.2 Abgeleitete SI-Einheiten. 1.1.2.3 Gesetzliche Einheiten außerhalb des SI. 1.1.2.4 Dezi male Vielfache von Einheiten 1.1.3 Physikalische Gleichungen 8 1.1.3.1 Größengleichungen. 1.1.3.2 Zugeschnittene Größen- gleichungen 1.2 Strom und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11 1.2.1 Elektrische Ladung und elektrischer Strom . . . . . . . . . . .. 11 1.2.1.1 Elektrische Ladung. 1.2.1.2 Elektrische Stromstärke. 1.2.1.3 Stromarten 1.2.2 Elektrisches Potential und elektrische Spannung ....... 13 1.2.2.1 Elektrisches Potential. 1.2.2.2 Elektrische Spannung 1.2.3 Technische Stromrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15 1.2.3.1 Stromkreis. 1.2.3.2 Strömung positiver und negativer Ladungen. 1.2.3.3 Festlegung der Stromrichtung 1.2.4 Zählpfeile .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 1.2.4.1 Strom-und Spannungszählpfeile. 1.2.4.2 Zählpfeilsyste- me an Zweipolen und Zweitoren VIII Inhalt 2 Elektrischer Gleichstromkreis (Hans Müll er) 2.1 Strömungsgesetze im einfachen Stromkreis ............... 22 2.1.1 Ohmsches Gesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22 2.1.1.1 Zusammenhang zwischen Strom und Spannung. 2.1.1.2 Definition von Widerstand und Leitwert 2.1.2 Elektrische Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24 2.1.2.1 Spezifischer Widerstand und Leitfähigkeit. 2.1.2.2 Me chanisch beeinflußbare Widerstände. 2.1.2.3 Temperaturein fluß. 2.1.2.4 Weitere Einflüsse. 2.1.2.5 Lineare und nichtli neare Widerstände 2.1.3 Arbeit und Leistung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 2.1.3.1 Arbeitsvermögen von Strom und Spannung. 2.1.3.2 Leistung. 2.1.3.3 Verluste und Wirkungsgrad 2.1.4 Elektrische Quellen ......................... 40 2.1.4.1 Ideale Spannungsquelle. 2.1.4.2 Ideale Stromquelle. 2.1.4.3 Technische Ouellen. 2.1.4.4 Spannungsquellen-Ersatz schaltung. 2.1.4.5 Stromquellen-Ersatzschaltung. 2.1.4.6 Äqui valenz der Quellen-Ersatzschaltungen. 2.1.4.7 Leistungsanpas sung 2.2 Verzweigt er Stromkreis ...... . 51 2.2.1 Begriffe ............ . 51 2.2.1.1 Gleichstromnetzwerke. 2.2.1.2 Knoten, Zweige und Maschen 2.2.2 Kirchhoffsche Gesetze . . . . . . ............ 53 2.2.2.1 Knotensatz. 2.2.2.2 Maschensatz 2.2.3 Parallelschaltung .......................... 55 2.2.3.1 Gesamtleitwert von parallel geschalteten Leitwerten. 2.2.3.2 Stromteilerregel 2.2.4 Reihenschaltung .......................... 59 2.2.4.1 Gesamtwiderstand von in Reihe geschalteten Widerstän den. 2.2.4.2 Spannungsteilerregel. 2.2.4.3 Belasteter Span nungsteiler 2.2.5 Duale Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64 2.2.5.1 Kombinierte Reihen- und Parallelschaltungen. 2.2.5.2 Dualitätsbeziehungen 2.2.6 Strom- und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68 2.2.6.1 Grundschaltungen. 2.2.6.2 Stromrichtiges und span nungsrichtiges Messen. 2.2.6.3 Kompensationsmeßverfahren. 2.2.6.4 Brückenmeßverfahren Inhalt IX 2.3 Berechnung elektrischer Netzwerke ................... 74 2.3.1 Netzumformung ........................... 74 2.3.1.1 Notwendige Voraussetzungen. 2.3.1.2 Regeln. 2.3.1.3 Vereinfachung der Schaltung. 2.3.1.4 Stern-Dreieck-Umwand lung . 2.3.2 Rekursive Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80 2.3.3 Knoten- und Maschenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81 2.3.3.1 Topologie. 2.3.3.2 Verfahren des vollständigen Baumes. 2.3.3.3 Regeln 2.3.4 Überlagerungssatz ......................... 88 2.3.5 Maschenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91 2.3.5.1 Vorgehen. 2.3.5.2 Aufstellen der Matrizengleichung 2.3.6 Knotenpotentialverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95 2.3.6.1 Vorgehen. 2.3.6.2 Aufstellen der Matrizengleichung 2.3.7 Ersatz-Zweipolquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100 2.3.7.1 Ersatz-Spannungsquelle. 2.3.7.2 Ersatz-Stromquelle. 2.3.7.3 Netzwerkanalyse mit Ersatz-Zweipolquellen 2.3.8 Netzwerke mit nichtlinearen Bauelementen ........... 106 2.3.8.1 Linearisierung. 2.3.8.2 Graphische Arbeitspunktbe- stimmung. 2.3.8.3 Stabilität des Arbeitspunktes 2.3.9 Vergleich der Berechnungsverfahren 114 3 Elektrisches Potentialfeld (Heinrich Fr 0 h n e) 3.1 Definition und Wirkung der elektrischen Ladung ........ 117 3.1.1 Definition der elektrischen Ladung ............. 117 3.1.1.1 Reale Ladungsverteilung und deren Beschreibung. 3.1.1.2 Ladungserhaltungs- und Kontinuitätssatz 3.1.2 Wirkungen der elektrischen Ladung . . . . . . . . . . . . . 125 3.1.2.1 Coulombsches Gesetz. 3.1.2.2 Feldwirkung der elektri schen Ladung 3.2 Elektrisches Feld in Leitern (Strömungsfeld) .............. 131 3.2.1 Wesen und Darstellung des elektrischen Strömungsfeldes ... 131 3.2.1.1 Driftladung und Driftgeschwindigkeit. 3.2.1.2 Driftge schwindigkeit und Stromdichte 3.2.2 Stromdichte und Strom ........ 136 3.2.3 Elektrische Feldstärke und Spannung 141 3.2.4 Elektrisches Potential ......... 146 3.2.5 Leistungsdichte im elektrischen Strömungsfcld 151 X Inhalt 3.3 Elektrisches Feld in Nichtleitern 152 3.3.1 Wesen und Darstellung des elektrischen Feldes in Nichtleitern 152 3.3.2 Elektrische Feldstärke und Spannung . . . . . . . . . . . . .. 153 3.3.3 Elektrisches Potential und Eigenschaften des Potentialfeldes 158 3.3.4 Elektrische Flußdichte und elektrischer Fluß ......... , 161 3.3.5 Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und Spannung 166 3.3.5.1 Kapazität. 3.3.5.2 Zeitliche Änderung von Strom und Spannung im Kondensator. 3.3.5.3 Schaltung von Kondensato ren. 3.3.6 Energie und Kräfte im elektrischen Feld ............. 175 3.3.6.1 Gespeicherte Energie im elektrischen Feld. 3.3.6.2 Irre versible Energieumformung (Verlustleistung) im elektrischen Feld. 3.3.6.3 Kräfte auf Grenzflächen im elektrischen Feld 4 Magnetisches Feld (Heinrich Frohne) 4.1 Beschreibung und Berechnung des magnetischen Feldes ..... 182 4.1.1 Wesen und Darstellung des magnetischen Feldes. . .... 182 4.1.1.1 Wirkungen und Ursachen des magnetischen Feldes. 4.1.1.2 Feldbilder und Feldlinien. 4.1.1.3 Feldrichtung und Po larität 4.1.2 Vektorielle Feldgrößen des magnetischen Feldes ........ 186 4.1.2.1 Magnetische Flußdichte. 4.1.2.2 Durchflutung, Zusam menhang zwischen Feldgrößen und erregendem Strom. 4.1.2.3 Magnetische Feldstärke. 4.1.2.4 Einheiten der magnetischen Feldgrößen 4.1.3 Integrale Größen des magnetischen Feldes ........... . 194 4.1.3.1 Magnetische Spannung. 4.1.3.2 Durchflutungssatz. 4.1.3.3 Magnetischer Fluß. 4.1.3.4 Ohmsches Gesetz des ma gnetischen Kreises 4.1.4 Überlagerung magnetischer Felder ..... . . ....... 211 4.1.5 Magnetisches Feld in Materie ........ . . ....... 214 4.1.5.1 Typisches Verhalten der Materie im Magnetfeld. 4.1.5.2 Brechung magnetischer Feldlinien 4.2 Magnetisches Feld in Eisen ........................ 217 4.2.1 Ferromagnetische Eigenschaften .................. 217 4.2.1.1 Hystereseschleife. 4.2.1.2 Magnetisierungskurve. 4.2.1.3 Permeabilität und Suszeptibilität. 4.2.1.4 Dauermagnete
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