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 Gefahren des elektrischen Stroms

36

1.4.1 Reaktionen des menschlichen Körpers auf den elektrischen Strom

39

1.4.2 Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen: Die fünf Sicherheitsregeln

41

1.4.3 Sicherungselemente

44

1.5 Übungen

51

1.6 Lösungen

53

2 Elektrische Ladung und Potenzial

59

2.1 Das Bohrsche Atommodell

59

2.2 Ladung

62

2.3 Energie, Potenzial und Leistung

64

2.3.1 Potenzial

64

2.3.2 Energie

67

2.3.3 Leistung

68

2.3.4 Wirkungsgrad

69

2.4 Elektrische Spannung

69

2.5 Strom

72

2.6 Strom- und Ladungsdichte

76

2.6.1 Stromdichte

76

2.6.2 Ladungsdichte

81

2.7 Ionen- und Massenstrom

82

2.8 Übungsaufgaben

85

2.9 Lösungen

87

3 Elektrostatik

93

3.1 Das elektrische Feld (E-Feld)

93

3.2 Kräfte zwischen Ladungen – die Coulombkraft

100

3.3 Ladungsverteilung

102

3.3.1 Berechnung eines Volumenintegrals in kartesischen Koordinaten

104

3.3.2 Berechnung eines Volumenintegrals in Zylinderkoordinaten

105

3.3.3 Berechnung eines Volumenintegrals in Kugelkoordinaten

109

3.4 Berechnung von E-Feldern

115

3.4.1 Elektrisches Feld einer Punktladung

115

3.4.2 Elektrisches Feld einer Linienladung

119

3.4.3 Elektrisches Feld einer Flächenladung

121

3.4.4 Elektrisches Feld einer Volumenladung

123

3.4.5 Der Gauß’sche Satz

124

3.5 Elektrische Flussdichte und Verschiebungsflussdichte

137

3.6 Potenzielle Energie, Potenziale und Spannung im elektrischen Feld

138

3.6.1 Äquipotenziallinien

142

3.7 Kapazität

144

3.7.1 Influenz und Polarisation

150

3.8 Aufgaben

156

3.9 Lösungen

158

4 Gleichstrom

171

4.1 Strom- und Spannungsquellen

171

4.1.1 Galvanisches Element

171

4.1.2 Spannungsquelle

178

4.1.3 Stromquelle

179

4.2 Widerstand und Leitwert

180

4.2.1 Das Ohm’sche Gesetz

181

4.2.2 Spezifischer Leitwert und spezifischer Widerstand

183

4.2.3 Widerstand eines stabförmigen Leiters

190

4.2.4 Einfluss der Temperatur auf den Widerstand

191

4.3 Allgemeine Form des Ohm’schen Gesetzes

193

4.4 Gleichstrom und Wechselstrom

195

4.5 Berechnung eines einfachen Stromkreises

197

4.6 Reihen- und Parallelschaltung

201

4.6.1 Reihenschaltung

201

4.6.2 Parallelschaltung

205

4.6.3 Kirchhoff’sche Regeln

209

4.6.4 Gemischte Widerstandsschaltungen

213

4.7 Ersatzquellen, reale Strom- und Spannungsquellen

217

4.7.1 Parallel- und Reihenschaltung von Spannungs- bzw. Stromquellen

223

4.7.2 Umwandlung von Spannungsquellen in Stromquellen und umgekehrt

226

4.8 Kondensatoren im Gleichstromkreis

228

4.8.1 Aufladung

229

4.8.2 Entladung

235

4.8.3 Reihenschaltung von Kondensatoren

237

4.8.4 Parallelschaltung von Kondensatoren

238

4.9 Übungen

239

4.10 Lösungen

244

5 Netzwerkberechnungen

253

5.1 Zweipole und die Zweipolmethode

255

5.2 Maschen- und Knotenregel in Netzwerken

259

5.3 Zweigstromverfahren

263

5.4 Maschenstromverfahren

268

5.5 Knotenpotenzialverfahren

272

5.6 Das Superpositionsprinzip

282

5.7 Stern-Dreieck-Umwandlung

287

5.7.1 Dreieck-Stern-Umwandlung

289

5.7.2 Stern-Dreieck-Umwandlung

290

5.8 Unendliche Kettennetzwerke

293

5.9 Übungen

296

5.10 Lösungen

300

6 Magnetische Felder

319

6.1 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

322

6.2 Magnetisches Feld von Leiterschleifen

325

6.3 Magnetische Grundgrößen

327

6.3.1 Das Vektorprodukt (Kreuzprodukt)

328

6.3.2 Durchflutung

329

6.3.3 Magnetische Feldstärke

330

6.3.4 Magnetischer Fluss, magnetische Flussdichte

339

6.4 Lorentzkraft

346

6.5 Induktivität und Induktion

352

6.5.1 Aufbau einer Spule

352

6.5.2 Induktivität

353

6.5.3 Spule im Gleichstromkreis

354

6.5.4 Induktion

358

6.5.5 Energie im Magnetfeld

368

6.6 Magnetischer Kreis

369

6.7 Maxwell-Gleichungen

371

6.7.1 Stationäre Maxwell-Gleichungen

372

6.7.2 Rotation eines Vektorfeldes

374

6.7.3 Materialbehaftete und nichtstationäre Maxwell-Gleichungen

380

6.8 Übungen

383

6.9 Lösungen

386

7 Wechselstromkreise

395

7.1 Charakteristische Größen einer Wechselspannung

395

7.2 Kondensator im Wechselspannungskreis

399

7.3 Spule im Wechselstromkreis

403

7.4 Zeigerdarstellung von Wechselgrößen

406

7.5 Schwingkreise

413

7.5.1 Parallelschwingkreis

413

7.5.2 Zeigerdiagramm für Parallelschwingkreise

418

7.5.3 Reihenschwingkreis

425

7.5.4 Zeigerdiagramm des Reihenschwingkreises

426

7.5.5 Güte eines Schwingkreises

429

7.6 Rechnen mit komplexen Zahlen

432

7.6.1 Rechenregeln

433

7.7 Übungen

438

7.8 Lösungen

443

8 Filter und Passschaltungen

459

8.1 RC-Reihenschaltung und Parallelschaltung

459

8.1.1 RC-Reihenschaltung

459

8.1.2 RC-Hochpass

468

8.1.3 RC-Tiefpass

471

8.1.4 RC-Parallelschaltung

472

8.2 RL-Reihen- und Parallelschaltung

476

8.2.1 RL-Reihenschaltung

476

8.2.2 RL-Hochpass

482

8.2.3 RL-Tiefpass

484

8.2.4 RL-Parallelschaltung

484

8.3 Allgemeine Eigenschaften von Hoch- und Tiefpassschaltungen

486

8.3.1 Bodediagramme

486

8.3.2 Ortskurven

491

8.3.3 Filter höherer Ordnung

495

8.4 Übungen

497

8.5 Lösungen

500

9 Drehstrom

519

9.1 Erzeugung von Wechselspannungen und Drehstrom

519

9.2 Symmetrisch belastete Drehstromsysteme

524

9.2.1 Dreieckschaltung, symmetrisch belastet

526

9.2.2 Sternschaltung, symmetrisch belastet

534

9.2.3 Allgemeine Eigenschaften von Strömen und Spannungen in Drehstromsystemen

537

9.3 Unsymmetrische Belastung

538

9.3.1 Dreieckschaltung, unsymmetrisch belastet

539

9.3.2 Sternschaltung, unsymmetrisch belastet

541

9.4 Übungen

545

9.5 Lösungen

547