Aufgabensammlung Elektrotechnik 2: Magnetisches Feld und Wechselstrom. Mit strukturiertem Kernwissen, Lösungsstrategien und -methoden

265 Pages·2003·12.459 MB·German

by  Martin Vömel, Dieter Zastrow (auth.)

Martin Vömel
Dieter Zastrow
Aufgabensammlung
Elektrotechnik 2
Aus dem Programm ____________- --...
Literatur für das Grundstudium
Lehrwerk Mathematik für Ingenieure und
Naturwissenschaftler
von 1. Papula
Elektrotechnik
von D. Zastrow
Aufgabensammlung Elektrotechnik,
Band 1 + 2
von M. Vömel und D. Zastrow
Elektronik
von D. Zastrow
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Böhmer
Elektrotechnik für Ingenieure, Band 1-3
von W. Weißgerber
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
herausgegeben von Wolfgang Böge
vieweg _________________
~
Martin Vömel
Dieter Zastrow
Aufgabensammlung
Elektrotechnik 2
Magnetisches Feld und Wechselstrom
Mit strukturiertem Kernwissen,
Lösungsstrategien und -methoden
2., überarbeitete Auflage
Mit 764 Abbildungen
~
Viewegs Fachbücher der Technik vleweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografiej
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage 1998
2., überarbeitete Auflage August 2003
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2003
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ISBN 978-3-528-13822-6 ISBN 978-3-322-92835-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-92835-1
Vorwort
Dieses Werk ist der zweite Band der Aufgabensammlung Elektrotechnik und erscheint
jetzt in der zweiten Auflage unter Berücksichtigung der neuen Rechtschreibung. Es wur
den Anregungen aus dem Leserkreis zur Verwendung von Vorzeichen bei Wechsel
stromwiderständen und Wechselstromleitwerten berücksichtigt. Größter Wert wurde auf
die Korrektur von Fehlern gelegt.
Dieser Band der Aufgabensammlung behandelt die Gebiete ,,Magnetisches Feld" und
"Wechselstrom". Die Kapitelzählung schließt an Band 1 an. Jedes Kapitel beginnt mit
einer Lehrstoff-Übersicht, die als "Wissensbasis" in strukturierter Form kurz und knapp
aufgabenrelevante Kenntnisse vermittelt. Damit ist sichergestellt, dass das zur Auf
gabenlösung erforderliche Grundwissen straff gefasst und in übersichtlicher Weise zur
Verfügung steht. Es werden grundsätzliche Lösungsstrategien und -methoden gezeigt und
erläutert, so dass der Leser die für den jeweiligen Aufgabentyp relevante Lösungsmetho
de schnell und sicher erkennen, erlernen und anwenden kann.
Da es bei einem gezielten Aufgabenlösungstraining zweckmäßig ist, von einfachen zu
schwierigen Aufgaben fortzuschreiten, sind zur schnelleren Orientierung drei Klassen
von Schwierigkeitsstufen angegeben.
Die leichteren Aufgaben, gekennzeichnet mit 0, sind zum Kennenlernen der Inhalte der
Wissensbasis gedacht. Neben dem Erfassen elektrotechnischer Grundlagen an vorgege
benen Schaltungen und einfachen Texten kann die Anwendung des Formelapparates und
die Benutzung einfacher Lösungsmethoden geübt werden.
Mit den mittelschweren Aufgaben @ kann trainiert werden, Lösungsansätze durch Rück
griff auf grundlegende Gesetze und Regeln zu finden und durch Variation und Weiter
entwicklung auch etwas schwierigere Aufgabentypen bewältigen zu können.
Die anspruchsvolleren Aufgabe e beziehen ihren Schwierigkeitsgrad meist aus dem nicht
offen erkennbaren Lösungweg, einer fachübergreifenden AufgabensteIlung oder aus dem
zugrundeliegenden komplexeren mathematischen Zusammenhang. Hierzu wurden auch
im Anhang einige grundlegende mathematische Ergänzungen angefügt.
In jedem Kapitel schließen sich an die Aufgabenstellungen direkt die zugehörigen Lö
sungen an, so dass längeres Herumblättern entfällt. Alle Lösungen sind mit ausführlichen
Erläuterungen versehen und bieten neben Lösungsvarianten oft auch Ausblicke auf be
nachbarte Wissensgebiete.
Grundsätzlich empfiehlt es sich jedoch, nicht gleich in den Lösungsteil hineinzuschauen,
sondern zunächst einmal selbst das Problem anzugehen und erst abschließend die Ergeb
nisse zu vergleichen. Hierbei lohnt es sich auch, die benutzten Lösungsmethoden und -
varianten zu beachten, wobei aber berücksichtigt werden muss, dass daneben oft noch
weitere Lösungsmöglichkeiten bestehen.
VI
Bei der Auswahl der Aufgaben wurde besonderer Wert darauf gelegt, neben den typi
schen und klassischen Aufgaben bevorzugt auch modeme und praxis gerechte Problem
stellungen aufzunehmen.
Wir glauben, dass wir mit dem vorliegenden Buch und dem darin angestrebten Konzept
zu einer gezielten und anforderungsorientierten Erweiterung des Übungsangebotes an
Technikerschulen, Fachhochschulen und Universitäten beitragen können.
Zum Schluss möchten wir uns herzlich beimVieweg-Verlag für die gute Zusammenarbeit
bedanken.
Über Anregungen und Hinweise der Leser sind wir weiterhin dankbar.
Frankfurt, Mannheim, 2003 Martin Vömel, Dieter Zastrow
Inhaltsverzeichnis
• Magnetisches Feld
21 Magnetisches Feld (Übersicht) ......................................................................................... 1
Berechnung magnetischer Feldgrößen einfacher Leiter und Luftspulen
21.1 Aufgaben .................................................................................................................. 4
21.2 Lösungen ..................................................................................... ............................. 9
22 Magnetische Eigenschaften von Eisen I (Übersicht) ........................................................ 16
Weichmagnetische Werkstoffe
22.1 Aufgaben .................................................................................................................. 21
22.2 Lösungen .... ........... ...... ... ..... ......... ........ ..... ......... ............. .... ..... .... .... .... ... ...... ...... ..... 25
23 Spule, Induktivität, Induktivität von Leitungen (Übersicht) ............................................. 28
Berechnen von Induktivitäten
23.1 Aufgaben .................................................................................................................. 30
23.2 Lösungen .................................................................................................................. 33
24 Magnetische Eigenschaften von Eisen 11 (Übersicht) ....................................................... 36
Hartmagnetische Werkstoffe
24.1 Aufgaben ............................................. ................................... .................................. 39
24.2 Lösungen .................................................................................................................. 41
25 Berechnung magnetischer Kreise (Übersicht) ........ ...... ..................................................... 42
25.1 Aufgaben.... ... .......... ... ........ ........... .......... ..... ....... ... ............... ....... .................. ....... ... 44
25.2 Lösungen .................................................................................................................. 47
26 Energie und Kräfte im magnetischen Feld (Übersicht) ................ .................................... 50
Berechnung
26.1 Aufgaben ....... ........................................................................................................... 53
26.2 Lösungen ...... ....... ... ..... ... ......... ............. ....... ...... ............... ....... ........ ........ ...... ... ........ 57
27 Induktionsgesetz (Übersicht) .... ..... ....................... ...................... ....... ........... ....... ....... ...... 62
27.1 Aufgaben ........ ............... ....... ................. .................. ....... ...... .... .............. .... ... ....... .... 64
27.2 Lösungen .............................................. .................................................................... 68
28 Selbstinduktion, Gegeninduktion (Übersicht) .................................................................. 74
28.1 Aufgaben .............................................................................................. .................... 77
28.2 Lösungen ........ .................................... ...... ................................... ....... .... ........... ....... 80
29 Schalten induktiv belasteter Gleichstromkreise (Übersicht) ........... .............. .................... 86
Spulen, Transformatoren
29.1 Aufgaben .................................................................................................................. 90
29.2 Lösungen .................................................................................................................. 94
VIII Inhaltsverzeichnis
• Wechselstrom
30 Benennungen und Festlegungen bei Wechselgrößen,
Mittelwerte periodischer Wechselgrößen (Übersicht) ...................................................... 100
30.1 Aufgaben .................................................................................................................. 105
30.2 Lösungen .................................................................................................................. 109
31 Überlagerung sinusförmiger Wechselgrößen (Übersicht) ................................................ 120
Addition und Subtraktion im Linien-und Zeigerdiagramm
31.1 Aufgaben .................................................................................................................. 124
31.2 Lösungen .................................................................................................................. 127
32 Wechselstromwiderstände (Übersicht) ............................................................................. 132
Ideale Schaltkreiselemente und Grundschaltungen
32.1 Aufgaben .................................................................................................................. 136
32.2 Lösungen .................................................................................................................. 140
33 Komplexe Betrachtung von Wechselstromschaltungen (Übersicht) ................................ 148
Komplexe Widerstände und Leitwerte
33.1 Aufgaben .................................................................................................................. 154
33.2 Lösungen .................................................................................................................. 159
34 Lösungsmethoden zur Analyse von Wechselstromnetzen (Übersicht) ............................ 170
34.1 Aufgaben .................................................................................................................. 174
34.2 Lösungen .................................................................................................................. 180
35 Die Leistung im Wechselstromkreis (Übersicht) .............................................................. 192
Wirk-, Blind-und Scheinleistung, Leistungsfaktor, Kompensation
35.1 Aufgaben .................................................................................................................. 196
35.2 Lösungen ................... ....................................... .................. ...... ..... ..... ... ..... ... .... ....... 199
36 Ortskurven (Übersicht) ..................................................................................................... 204
36.1 Aufgaben ..... ........... ............. .... ...... .......... ........ .................. .............. .... ... ..... ..... ........ 208
36.2 Lösungen .................................................................................................................. 210
37 Übertragungsfunktion und Frequenzgang (Übersicht) ..................................................... 218
Filterschaltungen und Resonanzkreise
37.1 Aufgaben .................................................................................................................. 222
37.2 Lösungen .................................................................................................................. 225
38 Transformator (Übersicht) ....... .... ... ...... .................. ................... ........ ........... ..... .... ...... ..... 230
Gesetze, Ersatzschaltungen, Zeigerbilder, Kennwerte
38.1 Aufgaben .................................................................................................................. 233
38.2 Lösungen. ..... ... ... ........ ... .... ... ... ...... ........ ..... .... ......... ........................ ......... .... ....... ..... 235
39 Dreiphasensysteme (Übersicht) ........................................................................................ 238
39.1 Aufgaben .................................................................................................................. 242
39.2 Lösungen .................................................................................................................. 244
Anhang: Grundlagen der komplexen Rechnung in der Elektrotechnik ....................... .......... 248
Magnetisches Feld