Die wissenschaftlichen Grundlagen der Elektrotechnik

599 Pages·1907·22.31 MB·German

by  Dr. Gustav Benischke (auth.)

Die wissenschaftlichen Grundlagen
der Elektrotechnik.
Die wissenschaftlichen
Grundlageil der Elektrotechnik.
Von
Dr. Gustav Benischke.
z~weite, erweiterte Auflage
von "Magnetismus und Elektrizität mit Rücksicht auf
die Bedürfnisse der Praxis".
Mit 489 Abbildungen im Text.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1907
ISBN 978-3-662-36001-9 ISBN 978-3-662-36831-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-36831-2
Softcoverreprint ofthe hardcover2nd edition 1907
Alle Rechte, insbesondere das der
Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Vorwort.
Die vorliegende zweite Auflage erscheint unter dem Titel "Die
wissenschaftlichen Grundlagen der Elektrotechnik", um
noch mehr als früher zum Ausdruck zu bringen, daß dieses Buch
für Elektrotechniker bestimmt ist, und weil eine so wesentliche Er
weiterung des Inhaltes stattgefunden hat, daß eigentlich ein neues
Buch vorliegt. Diese Ausgabe hat wegen anderweitiger starker
Beanspruchung meiner Zeit, sowie infolge meines Bestrebens nach
möglichst kurzer Fassung bei gleichzeitiger Wahrung einer streng
systematischen Entwickelung mehr als zwei Jahre auf sich warten
lassen. Daß trotz des Strebens nach möglichster Kürze der Umfang
auf mehr als das Doppelte angewachsen ist, erklärt sich aus der
beispiellosen Entwickelung der Elektrotechnik .in den letzten zehn
Jahren, die sich hauptsächlich auf die Anwendung immer höherer
Spannungen und auf Ausnutzung von Erscheinungen, die früher
nur als physikalische Versuche bekannt waren, erstreckt. Durch
diese beiden Umstände wurde ein tieferes Eingehen in allen Kapiteln,
sowie zwei neue Kapitel über die nichtstationären Stromzustände
und über den Durchgang der Elektrizität durch die sogenannten
Nichtleiter erforderlich. Im ersteren sind das Schließen und Öffnen
der Ströme und die elektrischen Schwingungen behandelt, im letz
teren die elektrischen Entladungen und Lichtbögen. Schon die
letzten Aufgaben der Elektrotechnik und noch mehr ihre zukünftigen
drehen sich darum, wie weit man in der Isolierung des elektrischen
Stromes gelangt, und wie weit das elektrische Licht dem Gaslicht
Boden abgewinnen kann. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit
einer physikalischen Vertiefung für alle jene, welche sich nicht auf
den laufenden Dienst in einem Konstruktions- oder Berechnungs
oder Installationsbureau beschränken wollen.
Für einen Teil der hier einschlägigen Fragen bildet die Elek
tronentheorie den Schlüssel zu einem übersichtlichen Verständnis.
Aus diesem Grunde, aber auch nur so weit, als es dazu erforderlich
ist. wurde die Elektronentheorie behandelt.
VI Vorwort.
Das elektrotechnische Kauderwelsch (Resistanz, Konduk
tanz, Reaktanz, Induktanz, Impedanz, Admittanz, Suszep
tanz, Reluktanz), das aus Amerika eingedrungen ist, findet sich
auch in dieser Auflage an keiner Stelle, weil keinerlei Notwendig
keit dazu vorliegt. Es sind zwar noch einige so schöne Wort
bildungen wie Kapazitätsreaktanz, Kondensanz, Restrik
tanz, Koaktanz, Retardanz hinzugekommen, aber es mehren
sich doch diejenigen, welche sich daran erinnern, daß in erster
Linie der akademisch Gebildete die Verpflichtung hat, richtige
Sprachformen anzuwenden. Neue Fachausdrücke werden in der
Technik von Zeit zu Zeit nötig und können unter Umständen auch
einer anderen Sprache entnommen werden, aber doch nur in einer
solchen Form, welche dem deutschen Sprachgebrauch entspricht.
Um dem Leser auch einen Begriff von den Zahlenwerten zu
bieten, wurden wie in der ersten Auflage an jenen Stellen, wo die
wichtigsten Größen zum ersten lVIale auftreten, Zahlenbeispiele ein
gefügt.
Da dieses Buch nicht nur ein Lehrbuch, sondern auch ein
Nachschlagebuch für diejenigen sein soll, welche sich über eine in
der Praxis auftauchende theoretische Frage Aufklärung holen wollen,
wurden viele Schaulinien und Zahlentafeln aufgenommen, und zwar
dem systematischen Aufbau entsprechend an jenen Stellen, wo sie
inhaltlich hingehören. Um aber ihre Aufsuchung zu erleichtern,
wurde ein Verzeichnis derselben dem Inhaltsverzeichnis angefügt.
Eine Zusammenstellung der Buchstabenbezeichnung der wichtigsten
Größen findet sich am Schluß des Buches.
Herrn Ingenieur Karl Wernicke danke ich auch an dieser
Stelle für die Unterstützung bei der Korrektur.
Pankow bei Berlin, im Februar 1907.
Dr. G. Benischke.
Inhaltsverzeichnis.
Erstes Kapitel.
Allgemeine Grundgesetze über Magnetismus und Elektrizität.
Seite
1. Anschauungen über das \Vesen des Magnetismus und der Elektrizität 1
2. Das Coulombsehe Gesetz ................ . 2
3. Kraftfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4. Stärke, Richtung und Gestalt eines Kraftfeldes. Kxaftlinien . . 4
5. Bildliehe Darstellung magnetischer und elektrischer Kraftfelder 5
6. Zu- nnd Abnahme der Kraft. Homogene Felder 8
7. Anzahl der Kraftlinien 10
8. Zusammensetzung von Kraftfeldern . 13
9. Magnetisches Moment . . . . . . . 13
10. Das magnetische Fel<l der Erde 14
11. Feldstärke neben und zwischen Flächen, die gleiehmäßig mit magne-
tischer oder elektrischer Masse bedeekt sind . . . . . . . . 16
12. Das Potential; seine mathematisehe und physikalische Bedeutung 17
13. Potential mehrerer Massen . . . . . . . . . . . . 20
14. Bewegungsriehtung und Potential . . . . . . . . . 20
15. Die Niveaufläehen und ihre Beziehung zu den Kraftlinien 21
Zweites Kapitel.
Grundgesetze der Elektrostatik.
16. Potential auf sieh selbst . . . . . . . . . . . . . . 25
17. Elektrizitätserzeugung. Hypothesen der Elektrizität . 25
18. Verteilung der Elektrizität auf Leitern und Isolatoren 28
19. Elektrostatisehe Sehirmwirkung . . . . . . . . . . 30
20. Potential einer geladenen Kugel auf sich selbst und auf einen äußeren
Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
21. Abhängigkeit der elektriseheu Diehte vom Krümmungsradius. Spitzen-
wirkung 32
22. Kapazität . . . . . . . . . 33
23. Potential und Kapazität der Erde 34
24. Elektroskop, Elektrometer . 35
25. Oberflächenspannung einer elektrischen Ladung 36
26. Einfluß eines benachbarten mit der Erde verbundenen Leiters. Konden-
sator . . . . 37
27. Plattenkondensator 39
28. Das Dielektrikum . 41
29. Die Dielektrizitätskonstanten der wichtigsten Stoffe 44
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
30. Formeln für verschiedene Kondensatoren . . 44
31. Kondensatoren in Neben- und Hintereinanderschaltung 47
32. Ladungsenergie .................. . 48
33. Die Faradaysche Vorstellung über die Beschaffenheit des Dielektrikums 50
34. Elektrisierungszahl und Dielektrizitätskonstante . . . . . . . . . . 52
35. Innere Energie eines polarisierten Dielektrikums . . . . . . . . . 52
36. Anziehung und Abstoßung eines Nichtleiters in einem elektrischen Felde 53
37. Brechung der Kraftlinien an der Grenzfläche zweier Nichtleiter 55
38. Rückstandsbildung im Dielektrikum . . . . . . . 58
Drittes Kapitel.
Grundgesetze der strömenden Elektrizität.
39. Das Zustandekommen eines elektrischen Stromes 60
40. Stromquellen . . . . . 61
41. Begriff der Stromstärke . . . . . . . . . 62
42. Das Ohmsehe Gesetz . . . . . . . . . . 62
43. Leitungswiderstand und Leitungsvermögen 63
44. Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur . 65
45. Widerstand von Kohle und Selen 67
46. Weitere Bemerkungen zu dem Ohmsehen Gesetze .. 67
47. Klemmenspannung . . . . . . . . . . . . . 68
48. Mehrere elektromotorische Kräfte in einem Stromkreise 69
49. Ableitung zur Erde . . . . . . . . . . . . . . 70
50. Die Kirchhofsehen Sätze über Stromverzweigung 70
51. Hintereinander- und Nebeneinanderschaltung 72
52. Arbeit und Leistung eines Stromes . . 73
53. Stromwärme. Joulesches Gesetz ..... . 74
54. Das Gesetz der kleinsten Stromwärme 74
Viertes Kapitel.
Die elektrolytischen Vorgänge.
55. Einteilung der Stoffe in Bezug auf die Leitung der Elektrizität 76
56. Die Elektrolyse und ihre Benennungen 77
57. Sekundäre Prozesse . . . . . . . 77
58. Wasserzersetzung . . . . . . . . . 79
59. Faradays Gesetze der Elektrolyse 80
60. Theorie der elektrolytischen Leitung 81
61. Dissoziierte Stoffe und Ionisatoren . 84
62. Spezifischer Widerstand der Elektrolyte 85
63. Konzentrationsänderung durch elektrolytische Leitung. Beweglich
keit der Ionen . . . . . . . . . 87
64. Elektrolyse geschmolzener Salze . . . . 89
65. Elektrolytische Leitung in festen Stoffen 90
66. Polarisation . . . . . . . . . . . . . 92
67. Stromerzeugung durch chemische Vorgänge 95
68. Die wichtigsten konstanten Zellen 96
69. Lokalströme 97
70. Konzentrationsketten 97
71. Normalelemente ... 98
72. Trockenelemente 99
73. Berechnung der elektromotorischen Kraft aus der Verbindungswärme 100
74. Akkumulatoren . . . . . . . . . . . 102
75. Elektrische Kataphorese (Mitführung) . . 106
Inhaltsverzeichnis. IX
Fünftes Kapitel.
Magnetische Wirkungen des Stromes. Seite
76. Amperesehe Regel. Das magnetische Feld des Stromes . 108
77. Bewegungsvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . 110
78. Die Kraft zwischen einem Stromelement und einem Magnetpol 111
79. Die Kraft zwischen einem unendlich langen Strom und einem
Magnetpol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
80. Magnetische Feldstärke eines Stromes in seiner nächsten Umgebung 113
81. Magnetische Feldstärke einer geschlossenen Stromfigur . . . . . 114
82. Die elektromagnetische Eigenwirkung eines Stromes . . . . . . . 116
83. Ein geradliniger Strom in einem homogenen magnetischen Felde 118
84. Eine geschlossene Stromfigur in einem homogenen magnetischen Felde 119
85. Das magnetische Gebläse . . . . . . . . 121
86. Magnetische Platte . . . . . . . . . . . 122
87. Potential einer geschlossenen Stromfigur . 123
88. Magnetisches Feld eines Solenoides . . . 125
Sechstes Kapitel.
Magnetische Induktion.
89. Magnetisierungsstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
90. Magnetisierung durch Verteilung oder Induktion . . . . . . . . 130
91. Beziehung zwischen magnetisierender Kraft und Kraftliniendichte.
Magnetisierungszahl und magnetische Durchlässigkeit 133
92. Paramagnetische und diamagnetische Stoffe 135
93. Magnetische Sättigung . . . . . . . 136
94. Magnetische Hysterese . . . . . . . 138
95. Dauermagnetismus und Koerzitivkraft 140
96. Magnetische Verzögerung . . . . . . 141
97. Magnetische Arbeit . . . . . . . . 142
98. Arbeitsverlust bei einem magnetischen Kreisprozeß 143
99. Anziehung und Abstoßung in einem magnetischen Felde 145
100. Brechung der Kraftlinien an der Grenzfläche magnetischer Stoffe 147
101. Magnetische Schirmwirkung . . . . . . . . . . . . 149
102. Entmagnetisierende Kraft. Dauermagnete . . . . . . 150
103. Die Abhängigkeit der Magnetisierung vou der Temperatur 153
104. Das magnetische Altern des Eisens . . . 154
105. Der magnetische Kreis . . . . . . . . . 155
106. Magnetische Widerstände in Hintereinanderschaltung 157
107. Der magnetische \Viderstand längerer Luftstrecken . 160
108. Verzweigung eines Kraftlinienbündels. Magnetische Widerstände in
:Nebeneinanderschaltung • . . . . . . . . . . . . . 162
109. Mag-netornotorische Kräfte von entgegengesetzter Richtung. Magne·
tische Stauung 164
110. Magnetische Streuung 166
111. Magnetische Charakteristik 170
112. Praktische Anwendungen . 173
113. Der magnetische Kreis bei Dauermagneten . 175
114. Anziehung zweier paralleler Flächen. Tragkraft eines Magnetes . 177
115. Die Arbeit bei magnetischer Anziehung . . . . . . . . . . . . 178
X Inhaltsverzeichnis.
Siebentes Kapitel.
Elektrodynamik. Seite
116. Die Kraftwirkung zweier Ströme 180
117. Arbeitswert zweier Ströme . . . . . . 182
118. Formeln für die gegenseitige Induktion 184
119. Arbeitswert eines Stromes in bezug auf sich selbst; Koeffizient der
Selbstinduktion . . . . . . . . . 185
120. Spezielle Fälle . . . . . . . . . . . . 187
121. Verhältnis zwischen den Koeffizienten der gegenseitigen und der
Selbstinduktion 188
122. Die gesamte magnetische Arbeit 189
Achtes Kapitel.
Elektrische Induktion.
123. Das Wesen der elektrischen Induktion ..... 190
124. Größe der induzierten elektromotorischen Kraft 191
125. Die Richtung der induzierten EMK. Die Gesetze von Lenz und Fleming 193
126. Die Spannungsgleichung ........ . 195
127. Richtungswechsel der induzierten EMK ............ . 195
Neuntes Kapitel.
Der einfache Wechselstrom.
128. Die induzierte EMK als einfache periodische Funktion 197
129. Die Elektrizitätsmenge eines veränderlichen Stromes 201
130. Der arithmetische Mittelwert . . . . . . . 202
131. Der quadratische Mittelwert . . . . . . . 203
132. Elektromotorische Kraft der Selbstinduktion 205
133. Das Ohmsehe Gesetz für Wechselstrom 209
134. Arbeit und Leistung eines Wechselstromes . 212
135. Das Spannungsdiagramm . . . . . . 215
136. Das Stromdiagramm. Wattstrom und wattloser Strom 216
137. Zusammenfassung der Ergebnisse . . . . . . . . . . 217
138. Drosselspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
139. Graphische Darstellung der Wechselstromgrößen durch Vektoren 220
140. Scheinbarer Widerstand bei Hintereinanderschaltung 221
141. Die Verzweigung eines veränderlichen Stromes . . . . . . . . . 223
142. Der scheinbare Widerstand einer Stromverzweigung . . . . . 225
143. Stromverzweigung in Hintereinanderschaltung mit Widerstand und
Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Zehntes Kapitel.
Gegenseitige Induktion zweier Stromkreise.
144. Das Verhältnis der elektromotorischen Kräfte 229
145. Die primäre und sekundäre Spannungsgleichung . . . 231
146. Der primäre Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
147. Strom und Klemmenspannung des sekundären Kreises 239
148. Das Verhältnis zwischen primärem und sekundärem Strom 241
149. Der Spannungsabfall in der primären und sekundären Wickelung 243
150. Das magnetische Feld zweier Stromkreise mit gegenseitiger Induktion 244
151. Der Magnetisierungsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247