1 Einführung

13

1.1 Was Sie von diesem Buch erwarten können

13

1.2 Wichtige Erfindungen der Elektrotechnik

14

1.3 Physikalische Größen und Grundbegriffe, mathematische Grundlagen

16

1.3.1 Kleiner Ausflug in die Physik

16

1.3.2 Mathematische Grundregeln

26

1.4 Übungen

38

1.5 Lösungen

39

2 Elektrische Ladung und Potenzial

47

2.1 Das Bohrsche Atommodell

47

2.2 Ladung

50

2.3 Energie, Potenzial und Leistung

52

2.3.1 Potenzial

52

2.3.2 Energie

55

2.3.3 Leistung

56

2.3.4 Wirkungsgrad

57

2.4 Elektrische Spannung

57

2.5 Strom

60

2.6 Strom- und Ladungsdichte

64

2.6.1 Stromdichte

64

2.6.2 Ladungsdichte

69

2.7 Ionen- und Massenstrom

70

2.8 Übungsaufgaben

73

2.9 Lösungen

75

3 Elektrostatik

81

3.1 Das elektrische Feld (E-Feld)

81

3.2 Kräfte zwischen Ladungen – die Coulombkraft

88

3.3 Ladungsverteilung

90

3.3.1 Berechnung eines Volumenintegrals in kartesischen Koordinaten

92

3.3.2 Berechnung eines Volumenintegrals in Zylinderkoordinaten

93

3.3.3 Berechnung eines Volumenintegrals in Kugelkoordinaten

97

3.4 Berechnung von E-Feldern

103

3.4.1 Elektrisches Feld einer Punktladung

103

3.4.2 Elektrisches Feld einer Linienladung

107

3.4.3 Elektrisches Feld einer Flächenladung

109

3.4.4 Elektrisches Feld einer Volumenladung

111

3.4.5 Der Gauß’sche Satz

112

3.5 Elektrische Flussdichte und Verschiebungsflussdichte

125

3.6 Potenzielle Energie, Potenziale und Spannung im elektrischen Feld

126

3.6.1 Äquipotenziallinien

130

3.7 Kapazität

132

3.7.1 Influenz und Polarisation

138

3.8 Aufgaben

144

3.9 Lösungen

146

4 Gleichstrom

159

4.1 Strom- und Spannungsquellen

159

4.1.1 Galvanisches Element

159

4.1.2 Spannungsquelle

166

4.1.3 Stromquelle

167

4.2 Widerstand und Leitwert

168

4.2.1 Das Ohm’sche Gesetz

169

4.2.2 Spezifischer Leitwert und spezifischer Widerstand

171

4.2.3 Widerstand eines stabförmigen Leiters

178

4.2.4 Einfluss der Temperatur auf den Widerstand

179

4.3 Allgemeine Form des Ohm’schen Gesetzes

181

4.4 Gleichstrom und Wechselstrom

183

4.5 Berechnung eines einfachen Stromkreises

185

4.6 Reihen- und Parallelschaltung

189

4.6.1 Reihenschaltung

189

4.6.2 Parallelschaltung

193

4.6.3 Kirchhoff’sche Regeln

197

4.6.4 Gemischte Widerstandsschaltungen

201

4.7 Ersatzquellen, reale Strom- und Spannungsquellen

205

4.7.1 Parallel- und Reihenschaltung von Spannungs- bzw. Stromquellen

211

4.7.2 Umwandlung von Spannungsquellen in Stromquellen und umgekehrt

214

4.8 Kondensatoren im Gleichstromkreis

216

4.8.1 Aufladung

217

4.8.2 Entladung

223

4.8.3 Reihenschaltung von Kondensatoren

225

4.8.4 Parallelschaltung von Kondensatoren

226

4.9 Übungen

227

4.10 Lösungen

232

5 Netzwerkberechnungen

241

5.1 Zweipole und die Zweipolmethode

243

5.2 Maschen- und Knotenregel in Netzwerken

247

5.3 Zweigstromverfahren

251

5.4 Maschenstromverfahren

256

5.5 Knotenpotenzialverfahren

260

5.6 Das Superpositionsprinzip

269

5.7 Stern-Dreieck-Umwandlung

274

5.7.1 Dreieck-Stern-Umwandlung

277

5.7.2 Stern-Dreieck-Umwandlung

278

5.8 Unendliche Kettennetzwerke

281

5.9 Übungen

284

5.10 Lösungen

288

6 Magnetische Felder

307

6.1 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

310

6.2 Magnetisches Feld von Leiterschleifen

313

6.3 Magnetische Grundgrößen

315

6.3.1 Das Vektorprodukt (Kreuzprodukt)

316

6.3.2 Durchflutung

317

6.3.3 Magnetische Feldstärke

318

6.3.4 Magnetischer Fluss, magnetische Flussdichte

327

6.4 Lorentzkraft

334

6.5 Induktivität und Induktion

340

6.5.1 Aufbau einer Spule

340

6.5.2 Induktivität

341

6.5.3 Spule im Gleichstromkreis

342

6.5.4 Induktion

346

6.5.5 Energie im Magnetfeld

356

6.6 Magnetischer Kreis

357

6.7 Maxwell-Gleichungen

359

6.7.1 Stationäre Maxwell-Gleichungen

360

6.7.2 Rotation eines Vektorfeldes

362

6.7.3 Materialbehaftete und nichtstationäre Maxwell-Gleichungen

368

6.8 Übungen

371

6.9 Lösungen

374

7 Wechselstromkreise

383

7.1 Charakteristische Größen einer Wechselspannung

383

7.2 Kondensator im Wechselspannungskreis

387

7.3 Spule im Wechselstromkreis

391

7.4 Zeigerdarstellung von Wechselgrößen

394

7.5 Schwingkreise

401

7.5.1 Parallelschwingkreis

401

7.5.2 Zeigerdiagramm für Parallelschwingkreise

406

7.5.3 Reihenschwingkreis

413

7.5.4 Zeigerdiagramm des Reihenschwingkreises

414

7.5.5 Güte eines Schwingkreises

417

7.6 Rechnen mit komplexen Zahlen

420

7.6.1 Rechenregeln

421

7.7 Übungen

426

7.8 Lösungen

431

8 Filter und Passschaltungen

447

8.1 RC-Reihenschaltung und Parallelschaltung

447

8.1.1 RC-Reihenschaltung

447

8.1.2 RC-Hochpass

456

8.1.3 RC-Tiefpass

459

8.1.4 RC-Parallelschaltung

460

8.2 RL-Reihen- und Parallelschaltung

464

8.2.1 RL-Reihenschaltung

464

8.2.2 RL-Hochpass

470

8.2.3 RL-Tiefpass

472

8.2.4 RL-Parallelschaltung

472

8.3 Allgemeine Eigenschaften von Hoch- und Tiefpassschaltungen

474

8.3.1 Bodediagramme

474

8.3.2 Ortskurven

479

8.3.3 Filter höherer Ordnung

483

8.4 Übungen

485

8.5 Lösungen

488

9 Drehstrom

507

9.1 Erzeugung von Wechselspannungen und Drehstrom

507

9.2 Symmetrisch belastete Drehstromsysteme

512

9.2.1 Dreieckschaltung, symmetrisch belastet

514

9.2.2 Sternschaltung, symmetrisch belastet

522

9.2.3 Allgemeine Eigenschaften von Strömen und Spannungen in Drehstromsystemen

525

9.3 Unsymmetrische Belastung

526

9.3.1 Dreieckschaltung, unsymmetrisch belastet

527

9.3.2 Sternschaltung, unsymmetrisch belastet

529

9.4 Übungen

533

9.5 Lösungen

535