1 Einführung

11

1.1 Was Sie von diesem Buch erwarten können

11

1.2 Wichtige Erfindungen der Elektrotechnik

12

1.3 Physikalische Größen und Grundbegriffe, mathematische Grundlagen

14

1.3.1 Kleiner Ausflug in die Physik

14

1.3.2 Mathematische Grundregeln

24

1.4 Übungen

36

1.5 Lösungen

37

2 Elektrische Ladung und Potenzial

45

2.1 Das Bohrsche Atommodell

45

2.2 Ladung

48

2.3 Energie, Potenzial und Leistung

50

2.3.1 Potenzial

50

2.3.2 Energie

53

2.3.3 Leistung

54

2.3.4 Wirkungsgrad

55

2.4 Elektrische Spannung

55

2.5 Strom

58

2.6 Strom- und Ladungsdichte

62

2.6.1 Stromdichte

62

2.6.2 Ladungsdichte

67

2.7 Ionen- und Massenstrom

68

2.8 Übungsaufgaben

71

2.9 Lösungen

73

3 Elektrostatik

79

3.1 Das elektrische Feld (E-Feld)

79

3.2 Kräfte zwischen Ladungen – die Coulombkraft

86

3.3 Ladungsverteilung

88

3.3.1 Berechnung eines Volumenintegrals in kartesischen Koordinaten

90

3.3.2 Berechnung eines Volumenintegrals in Zylinderkoordinaten

91

3.3.3 Berechnung eines Volumenintegrals in Kugelkoordinaten

95

3.4 Berechnung von E-Feldern

101

3.4.1 Elektrisches Feld einer Punktladung

101

3.4.2 Elektrisches Feld einer Linienladung

105

3.4.3 Elektrisches Feld einer Flächenladung

107

3.4.4 Elektrisches Feld einer Volumenladung

109

3.4.5 Der Gauß’sche Satz

110

3.5 Elektrische Flussdichte und Verschiebungsflussdichte

123

3.6 Potenzielle Energie, Potenziale und Spannung im elektrischen Feld

124

3.6.1 Äquipotenziallinien

128

3.7 Kapazität

130

3.7.1 Influenz und Polarisation

136

3.8 Aufgaben

142

3.9 Lösungen

144

4 Gleichstrom

157

4.1 Strom- und Spannungsquellen

157

4.1.1 Galvanisches Element

157

4.1.2 Spannungsquelle

164

4.1.3 Stromquelle

165

4.2 Widerstand und Leitwert

166

4.2.1 Das Ohm’sche Gesetz

167

4.2.2 Spezifischer Leitwert und spezifischer Widerstand

169

4.2.3 Widerstand eines stabförmigen Leiters

176

4.2.4 Einfluss der Temperatur auf den Widerstand

177

4.3 Allgemeine Form des Ohm’schen Gesetzes

179

4.4 Gleichstrom und Wechselstrom

181

4.5 Berechnung eines einfachen Stromkreises

183

4.6 Reihen- und Parallelschaltung

187

4.6.1 Reihenschaltung

187

4.6.2 Parallelschaltung

191

4.6.3 Kirchhoff’sche Regeln

195

4.6.4 Gemischte Widerstandsschaltungen

199

4.7 Ersatzquellen, reale Strom- und Spannungsquellen

203

4.7.1 Parallel- und Reihenschaltung von Spannungs- bzw. Stromquellen

209

4.7.2 Umwandlung von Spannungsquellen in Stromquellen und umgekehrt

212

4.8 Kondensatoren im Gleichstromkreis

214

4.8.1 Aufladung

215

4.8.2 Entladung

221

4.8.3 Reihenschaltung von Kondensatoren

223

4.8.4 Parallelschaltung von Kondensatoren

224

4.9 Übungen

225

4.10 Lösungen

229

5 Netzwerkberechnungen

237

5.1 Zweipole und die Zweipolmethode

239

5.2 Maschen- und Knotenregel in Netzwerken

243

5.3 Zweigstromverfahren

247

5.4 Maschenstromverfahren

252

5.5 Knotenpotenzialverfahren

256

5.6 Das Superpositionsprinzip

265

5.7 Stern-Dreieck-Umwandlung

270

5.7.1 Dreieck-Stern-Umwandlung

273

5.7.2 Stern-Dreieck-Umwandlung

274

5.8 Unendliche Kettennetzwerke

277

5.9 Übungen

280

5.10 Lösungen

284

6 Magnetische Felder

303

6.1 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

306

6.2 Magnetisches Feld von Leiterschleifen

309

6.3 Magnetische Grundgrößen

311

6.3.1 Das Vektorprodukt (Kreuzprodukt)

312

6.3.2 Durchflutung

313

6.3.3 Magnetische Feldstärke

314

6.3.4 Magnetischer Fluss, magnetische Flussdichte

323

6.4 Lorentzkraft

330

6.5 Induktivität und Induktion

336

6.5.1 Aufbau einer Spule

336

6.5.2 Induktivität

337

6.5.3 Spule im Gleichstromkreis

338

6.5.4 Induktion

342

6.5.4 Energie im Magnetfeld

352

6.6 Magnetischer Kreis

353

6.7 Maxwell-Gleichungen

355

6.7.1 Stationäre Maxwell-Gleichungen

356

6.7.2 Rotation eines Vektorfeldes

358

6.7.3 Materialbehaftete und nichtstationäre Maxwell-Gleichungen

364

6.8 Übungen

367

6.9 Lösungen

369

7 Wechselstromkreise

377

7.1 Charakteristische Größen einer Wechselspannung

377

7.2 Kondensator im Wechselspannungskreis

381

7.3 Spule im Wechselstromkreis

385

7.4 Zeigerdarstellung von Wechselgrößen

388

7.5 Schwingkreise

395

7.5.1 Parallelschwingkreis

395

7.5.2 Zeigerdiagramm für Parallelschwingkreise

400

7.5.3 Reihenschwingkreis

407

7.5.4 Zeigerdiagramm des Reihenschwingkreises

408

7.5.5 Güte eines Schwingkreises

411

7.6 Rechnen mit komplexen Zahlen

414

7.6.1 Rechenregeln

415

7.7 Übungen

420

7.8 Lösungen

423

8 Filter und Passschaltungen

437

8.1 RC-Reihenschaltung und Parallelschaltung

437

8.1.1 RC-Reihenschaltung

437

8.1.2 RC-Hochpass

446

8.1.3 RC-Tiefpass

449

8.1.4 RC-Parallelschaltung

450

8.2 RL-Reihen- und Parallelschaltung

454

8.2.1 RL-Reihenschaltung

454

8.2.2 RL-Hochpass

460

8.2.3 RL-Tiefpass

462

8.2.4 RL-Parallelschaltung

462

8.3 Allgemeine Eigenschaften von Hoch- und Tiefpassschaltungen

464

8.3.1 Bodediagramme

464

8.3.2 Ortskurven

469

8.3.3 Filter höherer Ordnung

473

8.4 Übungen

475

8.5 Lösungen

478

9 Drehstrom

495

9.1 Erzeugung von Wechselspannungen und Drehstrom

495

9.2 Symmetrisch belastete Drehstromsysteme

500

9.2.1 Dreieckschaltung, symmetrisch belastet

502

9.2.2 Sternschaltung, symmetrisch belastet

510

9.2.3 Allgemeine Eigenschaften von Strömen und Spannungen in Drehstromsystemen

513

9.3 Unsymmetrische Belastung

514

9.3.1 Dreieckschaltung, unsymmetrisch belastet

515

9.3.2 Sternschaltung, unsymmetrisch belastet

517

9.4 Übungen

521

9.5 Lösungen

522