Table Of ContentLeonhard Stiny
Aufgabensammlung
zur Elektrotechnik
und Elektronik
Übungsaufgaben mit ausführlichen
Musterlösungen
3. Auflage
Aufgabensammlung zur Elektrotechnik
und Elektronik
Lizenz zum Wissen.
Sichern Sie sich umfassendes Technikwissen mit Sofortzugriff auf
tausende Fachbücher und Fachzeitschriften aus den Bereichen:
Automobiltechnik, Maschinenbau, Energie + Umwelt, E-Technik,
Informatik + IT und Bauwesen.
Exklusiv für Leser von Springer-Fachbüchern: Testen Sie Springer
für Professionals 30 Tage unverbindlich. Nutzen Sie dazu im
Bestellverlauf Ihren persönlichen Aktionscode C0005406 auf
www.springerprofessional.de/buchaktion/
RM G2.ri ucAnheudaflelaalgn gTeernze,n sKnoinowswtsrukkiationg, Koemponnentteen, ScystehmePPnRAiXkIS KHV 6A.aT AnZrsiu-feHlaaegrewmfatnnfe Bargaehs s Hr| Uzlraiechn Sueidfgferbtt (Heursgc.c) hhn i k FB GS3A.eyrT usrAanZtnueddfm llaHahegge,ee iMßnri,ne Fgcwah |ha rtMdroyeenntiiankm ,rE Pirkesk,ro Ksypo |hem kSpttioevanefaennnn tGenie,ds (Hbrsg.u) PRcAXhISE FFFLG/W/C0MT////aeEÜwPWOl ElcIBaeahsNIwVRRLEk3ltCuTrG taswMÄEtzSeEHdErarR.UEeGeüOroAViTtNu nSotdITaPEERMUeR g CZuW TNRAlSeeuäboHtGIuainronnMErWtztSneNlsthod KiIwAm2ntm EmogH0eiRPsocn.ea1RSetdUkriii2Ne väelN ueEEur|TG nHs1 cg1iMKOnh4U o.dN pJTFeaGtrih mIrvFgoiaVennEr gteE O LPEATIUICMTOHIMTEOBRBAEILUNTE C HNISCHE ZEITSCHRIFITSSN 0001-2785 10810
f LhEEN0üwNLioEtrEcwTUh 1ehKWiwAuiTi.RnnUAmR TtRTPOFeI-ZFIerGgMooeSbrEnEnmirA eluCeBiSriannHutPEree- mAFE.Z2 dNSÜK0efetaITLl1eSlhELe2uCrU n efzH|Nü re7EgGru. e JgLrvaEäohtNnregK aUnNgG elektroniC GGRR/U/P0GRRiSB//nn//wH MUUREUOellwGI eeiNHMwIDDtWASSES2W4eiiTeBS-ttwSSNSEii E TrllUeeAR.M--aaKZ mYMsVsL NuOkggIPIeeUUUeMEtATaeeiGOlloTWsNNNiMZprrppnB nmsTnnEiDDDoraaginiNiEon ogrrl eT NtAAAlttn A 2RhnWiiiiSSSvnRZkke0o eeCCCInee1cA.llHHHI dh2ffvLEiieEEEb lEloD|tt V V V e nee7dlEEENrr a3eRRROnnAs.r TTTttJ etIEEEaotNhIIIGemLLLrngUUUo aTNNNEtnoGGGgrR eRnI EEBMMEOISTOSRITOENCHENNISCHE ZEITSCHRIFTISSN 0024-8525 10814
www.ATZonline.de AUTOMOBILTECHNISCHE ZEITSCHRIFT HVVVVR G6M .irc uAThneeeeuZaadfrlldaarrrr ggnveeabbbbnn, d BKarrrrosmbseeeehpuouynnnnnseennctttnnn ee|nnn ,,Fh uurSSeyydB/H/Ed//s//SES M leGImNp AtrWnTaSSbaEFTeTceRrKeV crOmIAFtMEF rWhMHiEcNeaNIgäkTneAZ,sfRnD eesPlItmerAeEisa nn( rRnNHs DprmZseS gkE. t)ULi vENeonKDT tMRIoASSCSrHNEARH MMSSSYYYYEESSSSNNTTTTT EMEISSN 1862-1791 70934
03März 2012 | 114. Jahrgang
E FFFLGaeEOlEehsIRRktCrsMÄtzHarUeOoTtuStaPEegCu TleubHtInonMrWestdIwAm EgHiRsceReUkrNälNuEuGnHs cgiMnhU odNpeGtri mvoienr te www.jot1-1o b|e rf2l0a1e2che.de
/W/CMT////Ü lcBIaaNVLEluTG taESeEdrRGeürViN nodIERU WNASeGuaiEttnNhotmmoonatiii veer
Jetzt
PWEERRSKPSETKOTFIFVEE O LPETIICMHITEBRAEUN ISSN 0001-2785 10810 NHPHWPvSKoueacooeirtnhlhrvutht itmeeeFkeesnrae c ZbiPfsQlehöauserrnuaralsüudfdacafrffelhteelmtyrliqiniseitc ceueeäfrhh önlatttienhul kriumt dnoeLängeeidattd ncr din kktueieerrnnncccrrraaahhnn llagenOimp tLiamcakliee rEpnreorzgeisesbilanz 3te0s Ttaegne!
Springer für Professionals.
Digitale Fachbibliothek. Themen-Scout. Knowledge-Manager.
Zugriff auf tausende von Fachbüchern und Fachzeitschriften
S elektion, Komprimierung und Verknüpfung relevanter Themen
durch Fachredaktionen
Tools zur persönlichen Wissensorganisation und Vernetzung
www.entschieden-intelligenter.de
Springer für Professionals
Leonhard Stiny
Aufgabensammlung
zur Elektrotechnik
und Elektronik
Übungsaufgaben mit ausführlichen
Musterlösungen
3., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 560 Aufgaben und 517 Abbildungen
LeonhardStiny
Haaga.d.Amper,Deutschland
ISBN978-3-658-14380-0 ISBN978-3-658-14381-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-14381-7
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillier-
tebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
Die erste Auflage erschien unter dem Titel„Aufgaben mit Lösungen zum Grundwissen Elektrotechnik“im
FranzisVerlag,2005.
DiezweiteAuflageerschienunterdemTitel„AufgabenmitLösungenzurElektrotechnik“imFranzisVerlag
2008.
©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH2005,2008,2017
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich
vomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgiltinsbesondere
fürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerar-
beitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigt
auchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen-
undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem
WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder
dieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler
oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin
veröffentlichtenKartenundInstitutionsadressenneutral.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier
SpringerViewegistTeilvonSpringerNature
DieeingetrageneGesellschaftistSpringerFachmedienWiesbadenGmbH
DieAnschriftderGesellschaftist:Abraham-Lincoln-Strasse46,65189Wiesbaden,Germany
Vorwort zur 3. Auflage
Nach der 1. und 2. Auflage beim Franzis-Verlag ist nun die 3. Auflage beim Springer-
Verlag erschienen. In meiner bisher zehnjährigen Tätigkeit als Lehrbeauftragter für das
Fach„GrundlagenderElektrotechnikundElektronik“anderOstbayerischenTechnischen
Hochschule Regensburg wurde sehr deutlich, dass Studierende dringend genügend Bei-
spiele benötigen, um den in den Lehrveranstaltungen dargebotenen Stoff im Detail zu
verstehen, ihn wiederholen und vor allem einüben zu können. Um eine anspruchsvolle
Prüfung zu bestehen, müssen nicht nur Ansätze und Vorgehensweisen zur Berechnung
undLösungvonAufgabenbekanntsein,auchdas„handwerkliche“Können,dasRechnen
selbst, muss beherrscht werden, um nicht in Zeitnot zu geraten. Alle diese Fertigkeiten
könnenmitdenvorliegendenAufgabengeübtwerden.
VieleAufgabenfandeninmeinenVorlesungenals„Vorlesungsübungen“Verwendung,
die gemeinsam bearbeitetoder vorgerechnetwurden.Dadurch ergabsich einerseits eine
sehr genaue Betrachtung und Verifizierung der Ergebnisse, welche durch vorgeschlage-
ne alternative Lösungswege ergänzt werden konnten. Andererseits wurde klar, welche
Stoffgebiete und Darstellungsweisen Probleme bereiten und besonders ausführlich und
eingängigerklärtwerdenmüssen.AlsBeispielseihierdiekomplexeWechselstromrech-
nunggenannt.
Die Gliederung des Buches blieb zum größten Teil unverändertund ist entsprechend
neuhinzugekommenerThemengebieteerweitert.DieAnzahlderÜbungsaufgabenwurde
erheblicherhöht,eswurdenauchmathematischschwierigereAufgabenaufgenommen.
Teilweise sinddieFragestellungenundLösungenin FormeinerallgemeinenErläute-
rung eines Themengebietes gestaltet und zugehörigen Berechnungen vorangestellt. Da-
durchwerdeneinführendeAbschnittewieineinemLehrbucherreicht.
FürHinweiseaufmöglicheÄnderungenundErgänzungenbinichdankbar.
Haaga.d.Amper,imApril2016 LeonhardStiny
V
Vorwort
DiesesBuchrichtetsichanalle,dieAufgabenderElektrotechnikzulösenhaben,ihrWis-
senaufdiesemGebietdurchÜbungenfestigenwollenodersichaufeinePrüfungvorberei-
ten müssen. Auszubildende elektrotechnischer Berufe, Schüler weiterführender Schulen
und Fachschulen, angehende Industriemeister oder Techniker, Studierende der Elektro-
technikodereinerverwandtenFachrichtunganBerufsakademien,Fachhochschulenoder
UniversitätenfindenentsprechendenundausgiebigenÜbungsstoff.Berufserfahreneoder
an der Lösung konkreter Aufgaben interessierte Hobbyelektroniker können ihr Wissen
auffrischen oder ergänzen. Hier stehen genügend Beispiele mit Lösungen als Vorberei-
tungshilfe und zum Selbststudium zur Verfügung. Durch die Bearbeitung der Übungen
werdenKenntnissederElektrotechnikgefestigtunderweitert.
DasWerkenthält280ÜbungsaufgabensamtausführlicherläutertenLösungswegenmit
detaillierten algebraischen und numerischen Berechnungen zu Grundgebieten der Elek-
trotechnik.Lösungsergebnissewerdennichtnurangegeben,sonderngründlicherarbeitet.
Somit wird im Zuge der Musterlösungen die allgemeine Vorgehensweise zur Problem-
bewältigung geübt. Auch aufeinander folgende Lösungsschritte mit Zahlenwerten sind
aufgenommen, damit Übende feststellen können, an welcher Stelle sie sich verrechnet
haben.
Die inhaltliche Strukturierung meines erfolgreichen Lehrbuches „Grundwissen Elek-
trotechnik“(FranzisVerlag)wurdefürdenvorliegendenÜbungsbandsoweitalsmöglich
übernommen. Somit besteht die Möglichkeit, den Stoff der einzelnen Lehrbuchkapitel
zuvertiefenunddieeigenenFertigkeiten inderAnwendungdesErlerntenzutrainieren.
Das vorliegendeWerk kann abervöllig unabhängigzum selbstständigen Lernenbenutzt
werden.NachimLehrbuchbewährterWeisewirdimVerlaufedereinzelnenKapitelvon
einfachenzuschwierigerenAufgabenvorgegangen.
Die einzelnen Abschnitte werden mit Zusammenfassungen des anschließenden Wis-
sensgebietesunddortmöglicherweiseverwendeterFormelneingeleitet.DiesekurzenAb-
risse erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Notwendigkeit zur Bearbeitung
der daran anschließenden Aufgaben. Sie bereiten jedoch auf das Folgende vor und die-
nen,ebensowieeinigeallgemeineAusführungenzuelektrotechnischenGrundlagenund
VorgehensweiseninnerhalbderLösungen,zueinemVerständnisdesTeilgebietes.
VII
VIII Vorwort
DieBereichederÜbungenreichenvondenGrundlagenderElektrotechnik,einfachen
sowieumfangreichenSchaltungenderGleich-,Wechsel-undDrehstromtechnik,Analyse
vonEinschwingvorgängenundNetzwerkenüberelektronischeBauteilebiszurelektroni-
schenSchaltungstechnik.
Zur Lösung der Aufgaben sind mathematische Kenntnisse der Algebra, Winkelfunk-
tionen undkomplexenRechnungi.a. ausreichend.„Höhere“Mathematik (im Sinnevon
Integrieren,Differenzieren)wirdkaumverwendet.
VielErfolgbeiderBearbeitungderAufgaben!
Haaga.d.Amper,imJuli2005 LeonhardStiny
Inhaltsverzeichnis
1 ElektrischerStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Stoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Atombau,elektrischerStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 DerAufbauderMaterie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 ElektrischeLadung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 ElektrischerStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Nichtleiter,LeiterundHalbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 WiderstandundLeitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 ElektrischeSpannung,Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.8 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 DerunverzweigteGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 GrößenimGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 WichtigeFormeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 DieGrößefürdenelektrischenStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 DieGrößefürdieelektrischeSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 DasOhm’scheGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Erzeuger-undVerbraucher-Zählpfeilsystem . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 ElektrischeArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7 ElektrischeLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 LineareBauelementeimGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.1 DerohmscheWiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 Kondensator,elektrostatischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3 GrundlagendesMagnetismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.4 Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.5 WichtigeFormeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
IX
X Inhaltsverzeichnis
3.2 Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 DerohmscheWiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 SpezifischerWiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 StrombegrenzungdurcheinenVorwiderstand . . . . . . . . . . 45
3.2.4 AufteilungeinerSpannung,Spannungsteilerregel . . . . . . . 47
3.2.5 AufteilungdesStromes,Stromteilerregel. . . . . . . . . . . . . 52
3.2.6 TemperaturabhängigkeitdesWiderstandes . . . . . . . . . . . . 56
3.2.7 ZulässigeVerlustleistung,Lastminderungskurve,
Wärmewiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.8 TechnischeAusführungvonFestwiderständen . . . . . . . . . 69
3.3 Kondensator,elektrischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1 DerKondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2 Kondensator,elektrostatischesFeld,Energie . . . . . . . . . . 73
3.3.3 TechnischeAusführungenvonKondensatoren . . . . . . . . . 77
3.3.4 Plattenkondensator,geschichteteDielektrika . . . . . . . . . . 81
3.3.5 RadialsymmetrischeselektrischesFeld . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3.6 InhomogeneselektrischesFeld,Strömungsfeld . . . . . . . . . 105
3.4 Spule,magnetischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.1 DieSpule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.2 MagnetischerKreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4.3 Leiteranordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4.4 Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4 Gleichspannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2 DiebelasteteGleichspannungsquelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3 Ersatzspannungsquelle,Ersatzstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.4 Kurzschlussstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.5 Spannungs-,Strom-,Leistungsanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5 BerechnungenimunverzweigtenGleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . 181
5.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.2 ReihenschaltungvonohmschenWiderständen . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.3 ReihenschaltungvonKondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.4 ReihenschaltungvonSpulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.5 ReihenschaltungvonSpannungs-undStromquellen . . . . . . . . . . . 186
6 MessungvonSpannungundStrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.1 Grundwissen–kurzundbündig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2 VoltmeterundAmperemeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.3 ErweiterungdesMessbereiches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.4 IndirekteMessungvonWiderstandundLeistung . . . . . . . . . . . . . 196
6.5 Wheatstone-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Description:Dieses Buch ist ideal für eine Prüfungsvorbereitung, es richtet sich an alle, die Aufgaben der Elektrotechnik zu lösen haben. 560 Übungsaufgaben aus wichtigen Gebieten der Elektrotechnik geben die Möglichkeit, das eigene Wissen durch die Bearbeitung von Problemstellungen zu festigen und zu erwe