Elektrotechnik für Dummies

Michael Felleisen ist Professor für Mess-, Steuer- und Regelungstechnik an der Hochschule Pforzheim. Er hat an der Universität Karlsruhe studiert, an der RWTH Aachen promoviert und mehrere Jahre als Ingenieur und Produktmanager bei Siemens und SAP gearbeitet.

• Über den Autor 11Danksagung 11Einführung 23Über dieses Buch 25Konventionen in diesem Buch 26Was Sie nicht lesenmüssen 26Annahmen über Sie, den Leser  27Wie dieses Buch aufgebaut ist 27Teil I: Größen der Elektrotechnik und ihre Zusammenhänge 27Teil II: Stromkreise und ihre Widerstände 28Teil III: Elektrisches Feld und Kondensator 28Teil IV: Magnetisches Feld und Spule 29Teil V: Elektromagnetische Felder und der Gleichstrommotor 29Teil VI: Grundlagen der Wechselstromtechnik 30Teil VII: Der Top-Ten-Teil 30Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 30Wie es weitergeht 31Teil I Größen Der Elektrotechnik Und Ihre Zusammenhänge 33Kapitel 1 Die wesentlichen mathematischen Grundlagen 35Physikalische Größen und deren Einheiten 35Skalare und Vektoren zur Darstellung von Feldern 38Aus zweimach eins: Vektoren addieren 40Das Skalarprodukt verbindet Vektoren 41Das Vektorprodukt mit dem Kreuz 42Dreiecke und ihre Winkel 43Ohne Schwingungen geht es nicht 44An Ableitung und Integration führt kein Weg vorbei 45Kapitel 2 Potz Blitz! Elektrisches Feld und Anwendungen der Elektrotechnik 49Das elektrische Feld und sein Drumherum 49Praktische Elektrotechnik im Alltag 51Kapitel 3 Aus einer Ladung wird elektrischer Strom 55Der elektrische Strom und sein Fluss 56Ohne Spannungsquelle fließt kein Strom 57Die Kraft, die alles zusammenhält 59Kapitel 4 Wenn die Spannung keinen Widerstand hätte 63Die Entstehung der elektrischen Spannung 64Elektrischer Widerstand und dessen Leitwert 65Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände 68Kapitel 5 Die Spannung ist Strom mal Widerstand 71Das Ohmsche Gesetz 71Muskelkater ade – elektrische Arbeit ersetzt Muskelkraft 73Teil II Stromkreise Und Ihre Widerstände 77Kapitel 6 Stecker rein – woher der Strom kommt 79Bezüge und Richtungen – das Zählpfeilsystem 79Das Innenleben der Steckdose 81Kurzschlussfall RV = 0 83Leerlauffall RV → ∞ 84Anpassung RV = Ri 84Spannungs- und Stromquelle ideal gesehen 87Kapitel 7 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen 91In Reih und Glied – die Reihenschaltung 91Die Parallelschaltung 95Kapitel 8 Ströme teilen und Spannungen fangen – die Kirchhoffschen Gesetze 99Die Knotenregel 100Die Maschenregel 100Ein Cocktail aus Knoten und Maschen 102Die erweiterte Reihenschaltung 102Die erweiterte Parallelschaltung 105Ein Rechenbeispiel zum Üben 108Geteilte Spannungen im belasteten Spannungsteiler 111Die Wheatstonesche Brückenschaltung 112Teil III Elektrisches feld und kondensator 115Kapitel 9 Von der Feldstärke zum Potenzial 117Volle Ladung – die Wirkung des elektrischen Feldes 118Feldstärke im homogenen Feld 119Experimentelle Darstellung der elektrischen Feldstärke mithilfe des Plattenkondensators 121Mathematische Herleitung der elektrischen Feldstärke 122Feldstärke im inhomogenen Feld 123Das Potenzial und der kleine, aber feine Unterschied 124Kapitel 10 Der elektrische Fluss und seine Begleiter 127Aus Influenz wird elektrischer Fluss 127Die elektrische Flussdichte treibt an 128Dielektrizitätskonstante und der Materialeinfluss 131Kapitel 11 Berechnung elektrostatischer Felder 133Feld der geladenen Kugel 1331 Schritt: Ein Bild sagt mehr als tausend Worte 1332 Schritt: Lösungsansatz (mathematisches Modell) 1343 Schritt: Randbedingungen definieren 1354 Schritt: Lösung 135Feld in der Umgebung mehrerer Ladungen 1371 Schritt: Skizze erstellen 1382 Schritt: Berechnung der einzelnen Felder E1 und E2 1383 Schritt: Lösung für das gesamte E-Feld im Punkt P 138Feld eines langen, geraden Leiters 1391 Schritt: Skizze erstellen1392 Schritt: Lösungsansatz 1393 Schritt: Randbedingungen 139Kapitel 12 Die Kapazität des Kondensators 143Definition der Kapazität 143Die Kapazität des Plattenkondensators 1441 Schritt: Skizze erstellen1442 Schritt: Lösungsansatz 1453 Schritt: Lösung über die Gleichung für die Kapazität 145Die Kapazität des Kugelkondensators 1471 Schritt: Skizze erstellen 1472 Schritt: Berechnung der Kapazität 147Die Kapazität des Zylinderkondensators 1501 Schritt: Skizze erstellen1502 Schritt: Lösungsansatz 150Kondensatoren verschaltet 152Parallel an der Spannungsquelle 152In Reihe an der Spannungsquelle 153Kapitel 13 Die Energie des elektrostatischen Feldes 157Volle Scheunen – ein Kondensator wird aufgeladen 1571 Schritt: Anwendung der Maschenregel 1592 Schritt: Lösen der Differenzialgleichung 1593 Schritt: k über Anfangsbedingungen bestimmen 1614 Schritt: Ermitteln des Kennlinienverlaufs 1615 Schritt: Dynamische Charakteristik 162Der Kondensator entlädt sich wieder 163Dann war da noch die Spannung am Widerstand… 164Kapitel 14 Energiedichte und wirkende Kräfte im Kondensator 167Energiedichte im elektrostatischen Feld 167Kräfte zwischen Elektroden 169Teil IV Magnetisches Feld Und Spule 171Kapitel 15 Das Magnetfeld stromdurchflossener Leiter 173Magnetische Grundformen 174Der Stab unter den Magneten 174Magnetfeld eines langen, stromdurchflossenen Leiters 174Die Zylinderspule 175Der Spezialist: Ringkern- oder Toroidspule 178Kapitel 16 Magnetische Feldgrößen 179Magnetische Feldstärke und Durchflutung 179Vom magnetischen Fluss zur Flussdichte 182Kapitel 17 Das Durchflutungsgesetz 187Von der Umlaufspannung zur Durchflutung 187Experimentelle Überprüfung des Durchflutungsgesetzes 190Anwendungsbeispiel zum Durchflutungsgesetz 1911 Schritt: Skizze erstellen1912 Schritt: Lösungsansatz 1923 Schritt: Randbedingungen definieren 1924 Schritt: Lösung 193Kapitel 18 Ohmsches Gesetz auch im Magnetismus 199Kapitel 19 Volle Power – Kräfte im magnetischen Feld 203Der stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld 203Bewegte Ladung im Magnetfeld – die Lorentzkraft 207Leiter ziehen sich an! 208Kapitel 20 Induktionswirkung frei nach Faraday 211Bewegte Leiter im Magnetfeld – Induktion durch Bewegung 211Kapitel 21 Auch das noch: Selbstinduktion 215Entstehung und Wirkung der Selbstinduktion 215Induktivität von Eisenspulen und Permeabilität 217Energie des magnetischen Feldes 218Ähnliche Geschwister – Analogien des elektrischen und des magnetischen Feldes 218Teil V Elektromagnetische Felder Und Der Gleichstrommotor 221Kapitel 22 Bestens angetrieben – der Gleichstrommotor 223Vom Geräteschema zum Ersatzschaltbild 223Lorentz, mir graut vor dir – das Kraftgesetz 225Ohne den Kommutator keine volle Umdrehung 227Mit Höchstleistungen zum Wirkungsgrad 229Wirkung des Induktionsgesetzes – Faraday sei Dank 230Ersatzschaltbild des Gleichstrommotors 231Elektrischer Teil des Motors 232Mechanischer Teil des Motors 234Kapitel 23 Bewegung erzeugt Antrieb 237Kennwerte des Motors 237Wirkungsgrad 𝜂 des Motors 238Drehmoment MA des Motors 239Erregungsarten des Motors 242Fallmir nicht zur Last! 243Das Lastmoment ML des Lüfters 244MM - n-Kennlinie des Gleichstrommotors 245Der Arbeitspunkt 245Teil VI Grundlagen Der Wechselstromtechnik 249Kapitel 24 Auf und ab – sinusförmige Wechselgrößen 251Von der Gleich- zur Wechselgröße 252Erzeugung einer Wechselgröße 253Kapitel 25 Kennwerte sinusförmiger Wechselgrößen 257Amplitude, Augenblickswert und Frequenz 257Wer kommt vor wem? Die Phasenverschiebung 259Phasenverschiebung der Spule 260Phasenverschiebung des Kondensators 262Mittelwerte von Wechselgrößen 262Gleichanteil 262Gleichrichtwert 263Effektivwert, quadratischer oder geometrischer Mittelwert 264Kapitel 26 Zeigerdarstellung von Wechselgrößen 269Vom Zeiger- zum Liniendiagramm 269Kapitel 27 Grundschaltungen sinusförmiger Wechselgrößen 273Der komplexe Widerstand 273Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis 277Inhaltsverzeichnis 21Der induktive Blindwiderstand einer Spule  278Der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators 279Vergleich der Grundschaltungen an Wechselstrom 281Teil VII Der Top-Ten-Teil 285Kapitel 28 Zehn wichtige Erfinder der Elektrotechnik 287Die quantitative Elektrostatik 287Teilchen beginnen zu wirken – CA de Coulomb 287Strömung elektrischer Ladungen – der Gleichstrom 288Froschschenkel und andere Kuriositäten – Luigi Galvani 288Nerven und Muskeln enthalten Elektrizität – Alessandro Volta 288Widerstand zwischen Spannung und Strom – GS Ohm 289Die Tücken von Knoten und Maschen – GR Kirchhoff 290Das Wunder des magnetischen Feldes 291Die unheimliche Kraft des Stroms – HC Oersted 291Elektrische Ströme und Magnetismus sind eins – M Faraday 292Die Welt der wechselwirkenden Ströme 293Die Messung des elektrischen Stroms – A-M Ampère 293Vom dynamoelektrischen Prinzip zum Firmengründer – W von Siemens 294Der Vater der Frequenzen – Heinrich Rudolf Hertz 295Kapitel 29 Zehn technologische Fortschritte zum Einsatz der Energie 2971 Segelfahrzeug am Strand von Holland 2972 Naturwissenschaftliche Beschreibung durch die Mathematik 2973 Kraft 2974 Energie 2985 Elektrizität 2986 Volta-Säule 2987 Es werde Licht! 2988 Strahlende Chemie 2989 Kernenergie und die Atombombe 29910 Heute 299Kapitel 30 Zehn Schritte zum Bau eines Radios 301Ein funktionsfähiges Radio bauen 301Kapitel 31 Meine zehn Lieblingsbücher zur Elektrotechnik 303Anhang A: Lösungen der Aufgaben 305Kapitel 3 305Kapitel 4 306Kapitel 5 307Kapitel 7 308Kapitel 8 311Kapitel 11 314Kapitel 12 316Kapitel 17 319Kapitel 18 320Kapitel 21 320Kapitel 23 322Kapitel 25 326Kapitel 27 327Stichwortverzeichnis 331