Das vorliegende Skript wurde als ergänzendes Hilfsmittel zum Thema "Grundlagen der Elektrotechnik" entworfen und niedergeschrieben. Es enthält alle relevanten Themengebiete der oben angegebenen Veranstaltung. Die Themen sind in der Reihenfolge der Unterrichte gestaffelt.
Die Inhalte orientieren sich an den Lehrstoffinhalten für die technische Ausbildung von Technikern (Fachrichtung Elektrotechnik) und Fachoberschulen (Technik). Die Themengebiete sind klassisch gestaffelt und behandeln die Gleichstromlehre, Magnetisches und Elektrisches Feld, sowie Wechsel- und Drehstromlehre. In jedem Teilgebiet können die Lernerfolge mittels Übungsaufgaben kontrolliert werden. Benötigte mathematische Grundlagen werden teilweise hergeleitet und erläutert. Bei Interesse am tieferen Verständnis von mathematischen Zusammenhängen ist es empfehlenswert entsprechende Literatur heranzuziehen. Der Fokus des vorliegenden Skripts liegt auf der elektrotechnischen Erläuterung der benannten Inhalte.
Das Skript hat bezüglich der zu absolvierenden Abschlussprüfungen keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Der Besuch der Veranstaltungen ist somit unabdingbar, um die Prüfungen mit einer befriedigenden Leistung zu absolvieren.
Die Autoren danken den Studierenden und Schülern die während den Veranstaltungen stets kritische Rückfragen stellen und das vorliegende Skript somit kontinuierlich verbessern.
Inhaltsverzeichnis
1 Gleichstromlehre
1.1 Aufbau des SI-Systems - Grundgrößen und Einheiten
1.2 Das Internationale Einheitensystem
1.3 Abgeleitete Einheiten:
1.4 Darstellung der abgeleiteten Einheiten durch Größengleichungen und Einheitengleichungen
1.5 Pegel, Verstärkungs- und Dämpfungsmaße:
1.6 Besonderheiten und Vorsilben der SI-Einheiten:
1.7 SI-fremde Einheiten:
1.8 Gleichungen:
1.9 Gleichstromkreise: Grundbegriffe der elektrischen Strömung
1.10 Der elektrische Strom
1.11 Stromdichte:
1.12 Die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen:
1.13 Die elektrische Spannung:
1.14 Elektrisches Potential:
1.15 Zusammenhang von Potential und elektrischer Spannung:
1.16 Der elektrische Widerstand:
1.17 Das ohmsche Gesetz:
1.18 Nichtlineare Widerstände
1.19 Widerstand und Temperatur:
1.20 Der verzweigte Stromkreis
1.21 Erstes Kirchhoffsches Gesetz:
1.22 Zweites Kirchhoffsches Gesetz:
1.23 Zählpfeilsysteme:
1.24 Spannungsquellen und innerer Widerstand von Spannungsquellen:
1.25 Detaillierte Betrachtung der Ersatzspannungsquelle:
1.26 Stromquellen:
1.27 Detaillierte Betrachtung der Ersatzstromquelle:
1.28 Äquivalenz von Spannungs- und Stromquelle:
1.29 Vergleich der Ersatzquellen:
1.30 Elektrische Arbeit
1.31 Elektrische Leistung
1.32 Nutzleistung, Verlustleistung und Wirkungsgrad
1.33 Leistungsanpassung, Spannungsanpassung, Stromanpassung
1.34 Energieumwandlung:
1.35 Elektrochemische Spannungsreihe:
1.36 Der verzweigte Stromkreis
1.37 Reihenschaltung linearer Widerstände
1.38 Der unbelastete Spannungsteiler
1.39 Parallelschaltung linearer Widerstände
1.40 Verhältnisse von Strömen und Widerständen bei der Parallelschaltung
1.41 Gemischte Schaltungen
1.42 Belasteter Spannungsteiler
1.43 Brückenschaltung
1.44 Stern-Dreieck Umwandlung
1.45 Knotenpunkt-Maschensatz Verfahren
1.46 Überlagerungsverfahren
1.47 Das Maschenstromverfahren
2 Magnetismus
2.1 Dauermagnete - Pole des Magneten:
2.2 Magnetostriktion:
2.3 Magnetisches Feld:
2.4 Feldlinienmodelle:
2.5 Anwendung der Dauermagnete:
2.6 Elektromagnetismus, Magnetfeld um den stromdurchflossenen Leiter:
2.7 Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule:
2.8 Magnetische Größen:
2.9 Eisen im Magnetfeld einer Spule:
2.10 Magnetischer Kreis:
2.11 Der Verzweigte magnetische Kreis:
2.12 Berechnungsprinzip Scherung:
2.13 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld:
2.14 Stromdurchflossene Spule im Magnetfeld:
2.15 Generatorprinzip (Induktion durch Bewegung):
2.16 Induktivität:
2.17 Selbstinduktion (Induktion der Ruhe):
2.18 Lenzsche Regel:
2.19 Transformatorprinzip (idealer Transformator):
2.20 Transformatorenhauptgleichung:
2.21 Wirbelströme:
2.22 Stromverdrängung, Skineffekt:
2.23 Messwerke:
2.24 Energieinhalt der stromdurchflossenen Spule:
2.25 Reihen- und Parallelschaltung von Induktivitäten:
2.26 Induktive Kopplung:
2.27 Magnetisch gekoppelte Spulen:
2.28 Ein- und Ausschaltvorgang einer Induktivität:
2.28.1 Einschaltvorgang:
2.28.2 Ausschalten einer Induktivität:
2.29 Integrierglied:
2.30 Differenzierglied:
2.31 Kräfte zwischen parallelen, stromdurchflossenen Leitern:
2.32 Kräfte auf bewegte Ladung im Magnetfeld:
2.33 Kräfte an Grenzflächen:
2.34 Kraft auf einen Eisenkern in Zylinderspule:
3 Elektrisches Feld
3.1 Das elektrische Potential
3.2 Physikalische Vorgänge im elektrischen Feld und Kondensator (Polarisation, Influenz, Ionisation)
3.3 Polarisation:
3.4 Influenz:
3.5 Ionisation und Durchschlag:
3.6 Größen des elektrischen Feldes und des Kondensators
3.6.1 Feldstärke:
3.6.2 Ladung:
3.6.3 Verschiebungsfluß:
3.6.4 Verschiebungsflußdichte:
3.6.5 Kapazität:
3.7 Piezo-Effekt:
3.8 Elektrostrinktion:
3.9 Elektroskop:
3.10 Braunsche Röhre:
3.11 Elektrofilter:
3.12 Aufbau und Berechnung von Kondensatoren (Bauformen)
3.12.1 Plattenkondensator:
3.12.2 Keramik-Rohrkondensator (Röhrchenkondensator):
3.13 Werte für Permittivitätszahlen und Durchschlags-Feldstärken:
3.14 Grundlegendes zur Bauform von Kondensatoren:
3.15 Kapazität beim Koaxialkabel (abgeschirmtes Kabel):
3.16 Zusammenschaltung von Kondensatoren
3.16.1 Reihenschaltung:
3.16.2 Parallelschaltung:
3.17 Quer geschichtetes Dielektrikum:
3.18 Längs geschichtetes Dielektrikum
3.19 Laden und Entladen von Kondensatoren
3.19.1 Laden mit konstanter Spannung:
3.19.2 Entladen des Kondensators:
3.20 Ladung mit konstantem Strom:
3.21 Differenzierglied:
3.22 Integrierglied:
3.23 Kondensator als Energiespeicher:
3.24 Kräfte im elektrostatischen Feld:
3.25 Kraft zwischen parallelen Flächen:
3.26 Kraft zwischen Punktladungen:
4 Wechselstromgrößen:
4.1 Gleich und Wechselgrößen:
4.2 Periodische Schwingungen:
4.2.1 Größtwert:
4.2.2 Gleichwert:
4.2.3 Gleichrichtwert:
4.2.4 Effektivwert:
4.2.5 Mischspannung:
4.3 Reine Wechselgrößen:
4.3.1 Scheitelfaktor (Crestfaktor):
4.3.2 Formfaktor:
4.4 Sinusförmiger Wechselstrom:
4.4.1 Bogenmaß und Winkelgeschwindigkeit:
4.5 Mit [n] = 1/s (Drehzahl der Leiterschleife im Magnetfeld Rotationsfrequenz)
4.6 Induzierte Spannung:
4.6.1 Konstruktion der Sinuslinie:
4.7 Phasenverschiebung:
4.8 Effektivwert:
4.8.1 Mathematische Bestimmung des Effektivwertes:
4.8.2 Gleichwert, Gleichrichtwert:
4.8.3 Scheitelwert, Crestfaktor:
4.8.4 Formfaktor:
4.9 R, C und L an Wechselspannung:
4.9.1 R an Wechselspannung:
4.9.2 C an Wechselspannung:
4.9.3 L an Wechselspannung:
4.10 Wirkwiderstand:
4.11 Kapazitiver Blindwiderstand:
4.12 Induktiver Blindwiderstand:
4.13 Parallelkompensation:
4.14 Reihenkompensation:
4.15 Parallelresonanz:
4.15.1 Güte des Parallel-Kreises:
4.15.2 Bandbreite des Parallel-Kreises:
4.16 Reihenresonanz:
4.16.1 Güte des Reihen-Kreises:
4.16.2 Bandbreite des Reihen-Kreises:
4.17 Hochpässe:
4.18 Tiefpässe:
4.19 Pegelberechnung:
5 Komplexe Zahlen
5.1 Reelle und Imaginäre Zahlen:
5.2 Komplexe Zahlenebene:
5.3 Darstellungsformen:
5.4 Konjugiert komplexe Zahlen:
5.5 Addition und Subtraktion von komplexen Zahlen:
5.6 Multiplikation von komplexen Zahlen:
5.7 Division von komplexen Zahlen:
5.8 Potenzieren von komplexen Zahlen:
5.9 Spannung und Strom:
5.9.1 Operatoren:
5.10 Leitwert-Operatoren:
5.11 Ohmsches Gesetz:
5.12 Reihenschaltung:
5.13 Parallelschaltung:
5.14 Äquivalente Schaltungen:
5.15 Reihenschaltung von R, L und C:
5.16 Parallelschaltung von R, L und C:
5.17 Gemischte Schaltungen:
5.18 Leistung im Wechselstromkreis:
5.19 Leistungsanpassung:
5.20 Beispielaufgaben allgemein:
5.21 Abgeglichene Wechselstrombrückenschaltungen
5.22 Phasenschieberbrücke:
6 Drehstrom
6.1 Geschichtliche Entwicklung
6.2 Technische Erzeugung von Drehstrom
6.3 Entstehung
6.4 Linienbilder
6.5 Komplexe Darstellung
6.6 Unverkettetes Drehstromsystem
6.7 Sternschaltung
6.8 Zeichnerische Darstellung
6.9 Spannungsverkettung
6.10 Drei- und Vierleiternetz
6.11 Strom im N-Leiter
6.12 Dreieckschaltung
6.13 Zeichnerische Darstellung
6.14 Stromverkettung
6.15 Stern- und Dreieckschaltung
6.16 Anschluß von Drehstrommotoren
6.17 Stern-Dreieck-Umschaltung
6.18 Wirkleistung
6.19 Symmetrische Last
6.20 Komplexe Berechnung
6.21 Zeigerbilder
6.22 Unsymmetrische Belastung: Sternschaltung mit N-Leiter
6.23 Sternschaltung ohne N-Leiter bzw. N-Leiter Unterbrechung
6.24 Unsymmetrische, ohmsche Last
6.25 Unsymmetrische, Komplexe Last
6.26 Unsymmetrische Belastung: Dreieckschaltung
6.27 Drehstrommotor
6.28 Drehfrequenz
6.29 Drehsinn, Drehrichtung
6.30 Drehrichtungsumkehr
6.31 Aufbau von Drehstrommotoren
6.32 Wirkungsweise
6.33 Schlupf
6.34 Hochlaufkennlinien
6.35 Anlaßverfahren
6.36 Schleifringläufermotoren
6.37 Drehzahlsteuerung
Zielsetzung & Themen
Dieses Skript vermittelt grundlegende elektrotechnische Zusammenhänge, wobei der Fokus auf dem Aufbau von physikalischen Größen, der Gleichstromlehre sowie dem Verhalten von magnetischen und elektrischen Feldern liegt. Die Forschungsfrage leitet sich aus der technischen Ausbildung von Technikern ab, um ein tiefgreifendes Verständnis für elektrotechnische Schaltungen und deren Berechnungsweisen zu entwickeln.
- Gleichstromlehre und Schaltungstechnik
- Physik des magnetischen Feldes und magnetische Kreise
- Verhalten elektrischer Felder in Kondensatoren
- Wechselstromgrößen und komplexe Wechselstromrechnung
- Grundlagen und Steuerung von Drehstrommotoren
Auszug aus dem Buch
2.1 Aufbau des SI-Systems - Grundgrößen und Einheiten
Physikalische Größen sind meßbare Eigenschaften der Materie sowie von Vorgängen und Zuständen in Raum und Zeit. Um eine Größe messen zu können, muß eine gleichartige Größe als Einheit festgelegt werden. Messen heißt dann: Vergleichen der zu messenden Größe mit der Einheit. Das Ergebnis der Messung ist das Produkt aus den folgenden zwei Faktoren:
1. Zahlenwert, der aussagt, wie oft die Einheit in der gemessenen Größe enthalten ist.
2. Einheit, die bei der Messung verwendet worden ist.
Physikalische Größe = Zahlenwert · Einheit (1.1.1)
Eine physikalische Größe dient zur Beschreibung physikalischer Zustände und Vorgänge. Eine physikalische Größe muß aufgrund einer Meßvorschrift mit einer Meßapparatur meßbar sein, d.h. sie muß durch einen physikalischen Vorgang in eine direkt der menschlichen Erfahrungswelt zugängliche Erscheinung (z. B. Zeigerausschlag) umgewandelt werden können.
Eine Einheit ist die Vereinbarung, aufgrund derer die Beobachtung einer physikalischen Einheit quantifiziert werden kann. So ist z. B. die Masseneinheit die Masse des internationalen Kilogrammprototyps; d.h. alle Massen werden in Vielfachen und Teilen dieser Masse gemessen. Die Festlegung einer Einheit geschieht durch die Angabe der physikalischen Erscheinung, die eine Einheit (oder eine bestimmte Menge) der physikalischen Größe ausmachen soll. Beispielhaft sind hierbei die Masse des Kilogrammprototyps oder die vom Licht während einer bestimmten Zeit im Vakuum zurückgelegten Strecke. Die jeweilige Einheit erhält einen Namen (z.B. Ampere), der in Formeln durch eine Abkürzung bzw. ein Symbol (A) bezeichnet wird.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Gleichstromlehre: Einführung in die SI-Einheiten, das ohmsche Gesetz und die systematische Berechnung von verzweigten Gleichstromnetzwerken.
2 Magnetismus: Erläuterung der Feldgrößen, magnetischer Kreise, Induktionsvorgänge und physikalischer Effekte in magnetischen Werkstoffen.
3 Elektrisches Feld: Grundlagen der Feldgrößen, der Kapazität, der Speicherung elektrischer Energie und der Vorgänge in Kondensatoren.
4 Wechselstromgrößen: Behandlung periodischer Schwingungen, Effektivwerte, Phasenverschiebungen und Grundlagen der Wechselstromkreise mit R, L und C.
5 Komplexe Zahlen: Mathematische Methode zur Vereinfachung der Berechnung komplexer Wechselstromschaltungen durch Zeigerdarstellung und Operatoren.
6 Drehstrom: Technische Erzeugung, Verkettungsarten sowie das Betriebsverhalten von Drehstrommotoren.
Schlüsselwörter
Elektrotechnik, Gleichstrom, Wechselstrom, Magnetfeld, elektrisches Feld, Induktivität, Kapazität, Wirkwiderstand, Scheinwiderstand, komplexe Rechnung, Drehstrom, Sternschaltung, Dreieckschaltung, Frequenz, Phasenverschiebung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in diesem Skript grundsätzlich?
Es bietet eine fundierte Einführung in die Grundlagen der Elektrotechnik für Techniker, angefangen bei der Gleichstromlehre über Feldtheorie bis hin zur Wechselstrom- und Drehstromtechnik.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die wesentlichen Bereiche umfassen die Gleichstromlehre, magnetische und elektrische Felder, Wechselstromgrößen, komplexe Zahlen in der Elektrotechnik sowie die Drehstromtechnik.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Vermittlung der mathematischen und physikalischen Grundlagen, die für das Verständnis elektrotechnischer Zusammenhänge und die Berechnung elektrischer Schaltungen notwendig sind.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit nutzt klassische physikalische Herleitungen, Größengleichungen, die komplexe Wechselstromrechnung mittels Zeigerdiagrammen und verschiedene Netzwerkanalyseverfahren wie Kirchhoffsche Gesetze.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine systematische Abhandlung der Stromlehre, der Magnetik- und Feldeffekte sowie eine detaillierte mathematische Analyse von Wechselstrom- und Drehstromsystemen mittels komplexer Zahlen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Elektrotechnik, Schaltungstechnik, Magnetismus, Induktivität, Kapazität und Drehstromtechnik charakterisiert.
Wie wird die Stern-Dreieck-Umschaltung begründet?
Sie dient primär dazu, den Anlaufstrom bei leistungsstarken Drehstromasynchronmotoren auf ein Drittel zu reduzieren, um das Stromnetz zu entlasten.
Welche Bedeutung haben die komplexen Zahlen für die Berechnungen?
Komplexe Zahlen ermöglichen eine elegante Vereinfachung bei der Berechnung von Wechselstromnetzwerken, da sie Betrag und Phasenlage von Spannungen und Strömen simultan berücksichtigen.
- Arbeit zitieren
- Thomas Bertel (Autor:in), Thomas Kuberczyk (Autor:in), 2015, Grundlagen der Elektrotechnik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/296327
