Grundlagen der Elektrotechnik 1 (eBook)

Inhaltsverzeichnis 6
Vorwort 10
1 Einleitung 12
2 Grundbegriffe 14
2.1 Elektrische Ladung 14
2.2 Leiter und Nichtleiter 15
2.3 Elektrischer Strom und Stromstärke 16
2.4 Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger 19
2.5 Stromdichte 20
2.6 Energie 21
2.7 Elektrisches Potenzial und elektrische Spannung 22
2.8 Zählpfeilsysteme 24
2.9 Elektrischer Widerstand 26
2.10 Elektrische Quelle 39
2.11 Elektrische Energie und elektrische Leistung, Wirkungsgrad 45
3 Berechnung von Netzwerken 52
3.1 Knoten- und Maschensatz 52
3.2 Schaltung von ohmschen Widerständen 55
3.3 Reihen- und Parallelschaltung von Quellen 74
3.4 Netzwerkberechnung mittels Knoten- und Maschensatz 79
3.5 Maschenstromverfahren 85
3.6 Knotenpotenzialverfahren 90
3.7 Überlagerungsverfahren 98
3.8 Zweipoltheorie 102
3.9 Vierpole 118
4 Elektrisches Feld 126
4.1 Grundbegriffe 126
4.2 Elektrisches Strömungsfeld 131
4.3 Elektrostatisches Feld 137
4.4 Kapazitäten 150
4.5 Schaltung von Kondensatoren 157
4.6 Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld 173
4.7 Schaltvorgänge im Gleichstromkreis 176
5 Stationäres magnetisches Feld 190
5.1 Grundbegriffe 190
5.2 Berechnung magnetischer Felder in nichtferromagnetischen Stoffen 200
5.3 Überlagerung magnetischer Felder 211
5.4 Berechnung magnetischer Felder in ferromagnetischen Stoffen 216
6 Zeitlich veränderliches magnetisches Feld 244
6.1 Induktionsgesetz 244
6.2 Selbstinduktion 270
6.3 Schaltvorgänge im Gleichstromkreis 284
6.4 Magnetische Kopplung 292
6.5 Wirbelströme 301
6.6 Magnetische Energie und Hystereseverluste 303
6.7 Kräfte im magnetischen Feld 309
7 Lösung der Aufgaben 322
( 343
) 343
Stichwortverzeichnis 358

"Dieses Buch verfügt über eine sehr gute didaktische und methodische Darstellung und eine ausgezeichnete Stoffauswahl. Es konzentriert sich auf die wesentlichen Schwerpunkte. Die gestellten Aufgaben sind hervorragend zum Selbstverständnis geeignet. Das Buch verfügt über eine Vielzahl von Abbildungen und Beispielen. Es ist sehr gut lesbar und übersichtlich. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Quick, FH Brandenburg

4 Elektrisches Feld (S. 115)
4.1 Grundbegriffe
Man nennt einen Raum, in dem bestimmte physikalische Wirkungen auftreten, ein Feld. Demnach liegt ein elektrisches Feld vor, wenn in einem Raum elektrische Wirkungen auftreten. In den beiden vorhergehenden Kapiteln fanden in den Leitungen und Zweipolen solche elektrische Wirkungen auf die Ladungsträger statt, ohne dass diesen bisher besonders nachgegangen wurde, sondern es war dies eine Kraftwirkung auf Ladungsträger bzw. Ladungsmengen im elektrischen Feld. Wie die bisherigen Betrachtungen beschränken sich die folgenden auf Gleichstrom. Man nennt eine Größe, die sich zeitlich nicht ändert, stationär. Mit Ausnahme der Ladungs-, Entladungs- und Umladungsvorgänge werden hier nur Vorgänge im stationären elektrischen Feld betrachtet. Es sind jedoch alle Beziehungen direkt auf zeitlich veränderliche Verhältnisse übertragbar.

Man kann die physikalische Wirkung in einem Feld durch eine Feldgröße darstellen. Diese kann entweder ein Vektor oder ein Skalar sein, im ersten Fall spricht man von einem Vektorfeld, im zweiten von einem Skalarfeld. Ist die Feldgröße überall im Raum gleich groß ,- und bei einer vektoriellen Feldgröße dazu überall gleich gerichtet ,- nennt man das Feld homogen, andernfalls inhomogen. Ein Feld, das sich senkrecht zur Zeichenebene nicht ändert, wird als paralleleben bezeichnet, lässt es sich eindeutig und vollständig in einer Ebene darstellen, nennt man es eben, es muss sich dabei entweder um ein parallelebenes oder rotationssymmetrisches Feld handeln. In einem Vektorfeld heißen die Richtungslinien der Feldvektoren Feldlinien.

Hinsichtlich der Wirkungen des elektrischen Feldes wird unterschieden, ob sie in einem Leiter oder Nichtleiter auftreten. In einem Leiter hat die Kraftwirkung auf elektrische Ladungen zur Folge, dass Ladungsträger transportiert werden und ein Strom fließt. In Leitern tritt ein Strömungsfeld auf. In einem vollkommenen Nichtleiter sind keine frei beweglichen Ladungsträger vorhanden, hier kann es nur zu örtlich begrenzten Ladungsverschiebungen kommen. Auf beide Fälle wird noch näher eingegangen.

4.1.1 Ursache und Richtungssinn des elektrischen Feldes
Man unterscheidet nach zwei Ursachen. Durch die zeitliche Änderung eines Magnetfeldes können so genannte elektrische Wirbelfelder induziert werden. Auf diese wird erst in Kapitel 6 eingegangen. In diesem Kapitel werden ausschließlich elektrische Potenzialfelder behandelt. Die Ursache dafür ist eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten oder Ebenen, durch die in der Umgebung ein elektrisches Feld erregt wird. Dieses beginnt auf dem Potenzialpunkt oder der -ebene mit dem höheren Potenzial und endet beim niedrigeren Potenzial, ein solches Feld nennt man Quellenfeld. In einem Leiter übt das elektrische Feld eine Kraft auf die frei beweglichen Ladungsträger aus. In metallischen Leitern sind dies die Valenzelektronen, in Flüssigkeiten und Gasen die Ionen (vgl. Abschn. 2.1 und 2.2). In einem Nichtleiter kann ebenfalls eine Kraftwirkung auf in das Feld eingebrachte elektrisch geladene Prüfkörper auftreten oder eine Influenz- oder Polarisationswirkung (vgl. Abschn. 4.3.1).

Entsprechend der Definition für den Richtungssinn des elektrischen Stromes (Abschn. 2.3) werden in einem elektrischen Feld, aufgrund der Kraftwirkung, positive Ladungsmengen in der Feldrichtung längs der elektrischen Feldlinien bewegt und negative entgegengesetzt. An dem Beispiel eines elektrischen Strömungsfeldes sollen die Zusammenhänge näher erläutert werden. Abb. 4.1 zeigt den Querschnitt eines geschlossenen, sich verjüngenden Rohres, in dem sich eine schwach leitende Flüssigkeit befindet.