Vorlesungen über die Grundlagen der Elektrotechnik: Band 1

445 Pages·1994·12.355 MB·German

by  O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Adalbert Prechtl (auth.)

Adalbert Prechtl
Vorlesungen über die
Grun lagen der
Elektrotechnik
Mit 265 Wiederholungsfragen,
225 Aufgaben und Lösungen
Band 1
Springer-Verlag Wien GmbH
O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing.Dr. AdalbertPrechtl
InstitutfürGrundlagenundTheorie derElektrotechnik
TechnischeUniversität Wien,Österreich
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ISBN978-3-7091-3834-2 ISBN978-3-7091-3833-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-7091-3833-5
©1994Springer-VerlagWien
UrsprünglicherschienenbeiSpringer-VerlagWienNewYork1994
Softcoverreprintofthehardcover Istedition 1994
Satz:ThomsonPress(India)Ltd.,NewDelhi,11()()()I
Gedruckt aufsäurefreiem,chlorfrei gebleichtem Papier- TCF
Mit 336Abbildungen
DieDeutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Prechtl,Adalbert:
Vorlesungen überdieGrundlagen derElektrotechnik/Adalbert
PrechtJ.-Wien;NewYork:Springer.
Bd.1(1994)
Vorwort
Dies sind die Vorlesungen "Grundlagen der Elektrotechnik",die ich seit Ende der
80er Jahre an der Technischen Universität Wien für alle Studierenden der
elektrotechnischen Studienzweige im ersten Jahr halte. Zusätzlich aufgenommen
wurden zahlreiche Wiederholungsfragen und viele Aufgaben mit Lösungen,die in
den begleitenden Rechenübungen besprochen werden. Ziel dieser Lehrveranstal
tungen ist es, eine anwendungsnahe Einführung in die grundlegenden Begriffs
bildungen, Prinzipien und Rechenmethoden der Elektrotechnik zu geben.
An mathematischen Kenntnissen wird zunächst recht wenig vorausgesetzt, der
Wissenszuwachs während des ersten Studienjahres istjedoch angemessen berück
sichtigt.Ganzverzichtet habeichaufdielokalen vektoranalytischenFormulierungen
der Eigenschaften elektromagnetischer Felder zugunsten von Aussagen globaler
Art über Ladungen und Ströme, Spannungen und Flüsse. An Präzision und
formaler Einfachheit geht dabei nichts verloren. Im Gegenteil: Die Verbindungen
zur Netzwerktheorie und zu anderen Beschreibungsformenderelektromagnetischen
Erscheinungen-i-etwaden alternierendenDifTerentialformen~Iassensichaufdiese
Weise leichter herstellen.
Beim Erstellen der Lehrbehelfe. aus denen beide Bände entstanden sind, haben
mich die Angehörigendes InstitutsfürGrundlagen und Theorieder Elektrotechnik
kräftigunterstützt. Besondersherzlichen Dank sagenmöchteich meinem verehrten
Vorgänger, Herrn ProfessorDr. Hellmut Hofmann,fürseinförderndes Wohlwollen
und Herrn Professor Dr. Herbert Haas, dem ich für viele wertvolle Anregungen
verpflichtet bin.
Wien, im März 1994 Adalbert Prechtl
Inhaltsverzeichnis
Hinweise . xi
1 Zeit. Raum. Bewegung 1
1.1 Die Zeit 1
1.2 Der Raum und seine Geometrie 2
1.3 Koordinaten . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Richtungen und gerichtete Abstände 6
1.5 Bewegung 9
1.6 Fragen . 13
1.7 Aufgaben . 14
2 KörperundTeilchen. Masse undStoffmenge . 15
2.1 Die Bausteine . 15
2.2 Festkörper . 16
2.3 Trägheit und Schwere. Die Masse 16
2.4 Die Stoffmenge 20
2.5 Fragen . 21
2.6 Aufgaben . ... 21
3 Impuls undKraft. Kraftfelder. Allgemeine Felder 22
3.1 Die kinetische Grundgleichung . 22
3.2 Das Gravitationsgesetz. Gravitationsfelder 25
3.3 Das Coulomb-Gesetz. Elektrische Felder 27
3.4 Allgemeine Felder 30
3.5 Fragen . 31
3.6 Aufgaben . . . . . 32
4 Arbeit undLeistung. Energie. Wärme undTemperatur . 33
4.1 Der Arbeitsbegriff . 33
4.2 Die Energie als Erhaltungsgröße . . 37
4.3 Die Thermodynamische Temperatur 39
4.4 Fragen . 40
4.5 Aufgaben . 41
5 Schwingungen undWellen. Licht 44
5.1 Periodische Vorgänge 44
5.2 Wellenerscheinungen . .. . 47
VIII Inhaltsverzeichnis
5.3 Das elektromagnetische Frequenzspektrum 49
5.4 Fragen . 50
5.5 Aufgaben . 51
6 Elektrische Ladungen, Ströme undSpannungen 52
6.1 Die elektrische Ladung 52
6.2 Der elektrische Strom . , 56
6.3 Die elektrische Spannung 63
6.4 Die elektrische Leistung . 68
6.5 Elektrischer Widerstand und Ohmsches Gesetz 70
6.6 Fragen . 72
6.7 Aufgaben . 73
7 Physikalische Größen, Einheiten und Dimensionen 80
7.1 Größenarten und Einheiten . . . .. 80
7.2 Größengattungen und Dimensionen 84
7.3 Das Internationale Einheitensystem 87
7.4 Rechnen mit physikalischen Größen 93
7.5 Fragen . 95
7.6 Aufgaben . 96
8 Stromkreise undeinfache Stromkreiselemente 98
8.1 Formulierung der Ladungserhaltung 98
8.2 Die erste Kirchhoff-Regel (Knotenregel) 100
8.3 Die zweite Kirchhoff-Regel (Maschenregel) 104
8.4 Einige Stromkreiselemente 108
8.5 Berechnen einfacher Schaltungen 116
8.6 Fragen . 128
8.7 Aufgaben .. . . 130
9 Das elektrische Feld 150
9.1 Die elektrische Spannung 150
9.2 Der elektrische Fluß. Influenz 159
9.3 Verknüpfungen elektrischer Spannungen und Flüsse.
Die Kapazität 168
9.4 Dielektrika 176
9.5 Fragen . 179
9.6 Aufgaben . 180
10 Schaltungen mit Kondensatoren 185
10.1 Kondensatoren . 185
10.2 Berechnen einfacher Schaltungen mit Kondensatoren 187
10.3 Teilkapazitäten 193
10.4 Fragen . 194
10.5 Aufgaben .... 195
Inhaltsverzeichnis IX
11 Ergänzendes zum elektrischen Feld . . . . . . . . . . . 202
Il.l Extremwerte des Potentials und der Feldstärke 203
11.2 Feldlinien 205
11.3 Das elektrische Feld in der Umgebung stromfreier Leiter 206
11.4 Das elektrische Feld im Hohlraum eines stromfreien Leiters. 211
11.5 Der van de Graaff'-Generator 213
I\.6 Das elektrische Feld der Erde 214
11.7 Fragen 215
12 Verteilte elektrische Ströme 216
12.1 Das elektrische Strömungsfeld 216
12.2 Das lokale Ohmsehe Gesetz 219
12.3 Fragen . 222
12.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . 223
13 Elementare Methoden der Berechnung elektrischer Felder 227
13.1 Punktladungen. Elektrische Punktdipole 227
13.2 Linienladungen. Elektrische Liniendipole 236
13.3 Flächenladungen 242
13.4 Raumladungen 244
13.5 Verwenden von Ausschnitten bekannter Felder 246
13.6 Fragen . 250
13.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
14 Globale undlokale Eigenschaften elektrischer Felder 270
14.1 Der Satz von der Erhaltung der elektrischen Ladung 270
14.2 Der Satz vom elektrischen Hüllenfluß . . . . . . 273
14.3 Der Satz von der elektrischen Umlaufspannung 274
14.4 Materialgleichungen 277
14.5 Fragen . 278
14.6 Aufgaben . . . 278
Lösungen der Aufgaben 286
Literatur 424
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
Inhalt des zweiten Bandes
15. Magnetische Erscheinungen
16. Das magnetische Feld
17. Elementare Methoden der Berechnung magnetischer Felder
18. Magnetische Kreise
19. Globale und lokale Eigenschaften magnetischer Felder,
20. Induktionserscheinungen
21. Schaltungen mit Spulen und Transformatoren
22. Sinusschwingungen
23. Komplexe Behandlung von Wechselstromkreisen
24. Resonanzerscheinungen
25. Mehrphasensysteme
26. Das elektromagnetische Feld
27. Elektromagnetische Wellen
28. Energie im Elektromagnetismus
Hinweise
Die "Vorlesungen über die Grundlagen der Elektrotechnik", deren erster Teil in
diesem Band dargelegt ist, sollen Sie mit den Grundzügen der Elektrizitätslehre
vertrautmachen und Ihnendamitdas Eintreteninunserweitverzweigtes Fachgebiet
ermöglichen. Das Schwergewicht liegt zunächst auf den allgemeineren physikali
schen Begriffsbildungen und verlagert sich dann zu Begriffen wie der elektrischen
Ladung, dem elektrischen Strom und der elektrischen Spannung. Nach meiner
Erfahrung setzt das konstruktive und sichere Umgehen mit diesen doch recht
abstrakten Größen eine Gewöhnung voraus, die sich am besten durch das
Einnehmen unterschiedlicher Standpunkte und vor allem durch Übung erreichen
läßt. Haben Sie das Gerüst erst einmal gut verankert, wird Ihnen auch das Ver
ständnisder speziellerenMethodenund Rechenverfahrennichtallzu schwerfallen.
Jedes der vierzehn Kapitelenthälteine Anzahl von Fragen. Verwenden Siediese
Fragen zur Überprüfung, ob Sieden vorangehenden Text ausreichend verarbeitet
haben, aber auch als Anregung für weitere Fragen, die Sie sich beim Studium
selbst stellen. BemühenSiesichumeigene,klareFormulierungender Antworten!
Wichtig ist auch die Bearbeitung der Rechenaufgaben. Dazu gehören die
möglichst vollständige Offenlegung der Voraussetzungen, der klare, lückenlose,
auch vonjemandanders nachvollziehbare Rechen- oderArgumentationsgang und
die Überprüfung der Ergebnisse:Einheitenkontrolle, Sonderfälle, Plausibilität der
numerischen Resultate und ähnliches. Gesundes Mißtrauen gegen die eigenen
Rechenkünste ist hier immer angebracht. Ganz verkehrt wäre es, Lösungsgänge
oder auch nur "Kochrezepte" auswendig zu lernen. Wenig zielführend erscheint
mir auch das Kleben an speziellen Formeln, weil deren Voraussetzungen meist
nicht beachtet werden. Versuchen Sie, den Kern einer Aufgabe zu erkennen, eine
Lösungsstrategiefestzulegen und danndurchSpezialisierungmöglichstallgemeiner
Beziehungen eine Lösung zu erarbeiten! Die Lösungsvorschläge, im hinteren Teil
des Buches zusammengestellt, sollten Sie erst dann konsultieren, wenn Sie eine
Aufgabe gelöst haben,oder wenn SietrotzernsthafterAnstrengung keinen Zugang
finden.