Einführung

Willkommen im Reich der Wechselstromtechnik! Ich freue mich sehr, dass Sie dieses Buch in Ihren Händen halten, und ich hoffe, dass Sie neugierig auf dessen Inhalt sind - egal ob Sie bald eine schier unüberwindliche Klausur zu diesem Thema zu bestehen haben oder ob Sie schon immer wissen wollten, wie Wechselstrom eigentlich funktioniert. Wechselstrom ist ein ganz besonderer Strom, den Sie täglich nutzen, sobald Sie einen elektrischen Verbraucher wie einen Handmixer in die Steckdose stecken.

Lassen Sie uns gemeinsam in die Tiefen dieses faszinierenden Teilbereichs der Elektrotechnik abtauchen, wo geniale Ideen von genialen Erfindern darauf warten, von Ihnen entdeckt zu werden. Sie werden sich auf die Spuren von Michael Faraday begeben und dessen bahnbrechendes Induktionsgesetz in allen Details erforschen. Sie werden den großartigen Nikola Tesla kennenlernen, dessen atemberaubende Ideen die Welt nachhaltig verändern sollten. Und Sie werden hautnah miterleben, wie sich die beiden Strompioniere Georg Westinghouse und Thomas Alva Edison bis aufs Blut bekämpften, um ihre jeweilige Vorstellung des bestmöglichen Stromübertragungsnetzes durchzusetzen. Das allererste Drehstromübertragungsnetz wurde im Jahr 1891 fast »um die Ecke« von Ihnen gebaut, nämlich von Lauffen am Neckar nach Frankfurt am Main . Doch halt, jetzt verliere ich mich schon begeistert in historischen Details! Lassen Sie uns erst einmal das Tor zum Reich der Wechselstromtechnik aufstoßen und behutsam eintreten!

Über dieses Buch

Dieses Buch ist formal ganz ähnlich aufgebaut wie die beiden ebenfalls von mir geschriebenen Bücher Elektrotechnik für Dummies und Übungsbuch Elektrotechnik für Dummies. Nun jedoch werden Sie die drei wichtigsten Bauteile der Elektrotechnik - den elektrischen Widerstand, die magnetische Spule und den Kondensator - von einer völlig neuen Seite kennen- und berechnen lernen - nämlich wenn sie an Wechselstrom angeschlossen sind!

Auch in diesem Buch habe ich alle elektrotechnischen Gesetze mit Erklärungen zu den historischen Experimenten gewürzt und mit einer Prise Übungsaufgaben verfeinert, um Ihnen die theoretischen Zusammenhänge in der praktischen Anwendung nahezubringen. Auch Skizzen wie Schaltpläne, Kurvenverläufe oder Konstruktionszeichnungen sind unerlässlich, um die physikalischen Zusammenhänge elektrotechnischer Fragestellungen zu verstehen. Und da die Mathematik die Fachsprache des Ingenieurs ist, um seine Ideen darzustellen, darf natürlich auch dieses Themengebiet nicht fehlen. Aber keine Sorge: Wir Ingenieure brauchen nur wenige grundlegende Bereiche der Mathematik, um unsere tollen Konstruktionen zu beschreiben. Was, das glauben Sie mir nicht? Ich werde es Ihnen beweisen, wenn Sie in diesem Buch weiterlesen!

Konventionen in diesem Buch

Dieses Buch beinhaltet einige wenige Konventionen zur Schreibweise:

• Vektoren, also physikalische Größen, die einen Betrag und eine Richtung haben, werden mit einem Pfeil über der Größe versehen, wie beispielsweise die elektrische Feldstärke .
• Physikalische und technische Größen sind kursiv geschrieben, Einheiten bleiben hingegen steil stehen. Bei der Größe m handelt es sich also um die physikalische Größe der »Masse«, während ein nicht kursiv geschriebenes m für die Einheit »Meter« steht. Auch neue beziehungsweise zentrale Begriffe sind kursiv geschrieben.

Was Sie nicht lesen müssen

Alle Teile dieses Buchs sind so formuliert, dass Sie diese nicht hintereinander lesen müssen, sondern frei hin- und herspringen können. Die Lösungen der gestellten Aufgaben sind vermutlich nur für diejenigen Leser relevant, die sich gerade auf eine Prüfung im Fach Wechselstromtechnik vorbereiten. Für die Prüfungsvorbereitung sind alle in den Kapiteln aufgeführten Aufgaben wichtig. Die detaillierten Lösungswege finden Sie im Anhang. Versuchen Sie bitte stets, die Aufgaben zunächst mithilfe der Theorie des zugehörigen Kapitels eigenständig zu lösen, ohne den Lösungsweg im Anhang anzuschauen! Die dargestellten Lösungen kommen erst ins Spiel, wenn Sie das bei der Aufgabenstellung angegebene Ergebnis nicht herausbekommen oder Ihren eigenen Lösungsweg kontrollieren wollen. Beachten Sie bitte, dass die Übungsaufgaben so angeordnet sind, dass sie schrittweise von einfachen zu komplexeren Anforderungen führen.

Törichte Annahmen über den Leser

Beim Schreiben dieses Buchs bin ich von folgenden Annahmen über Sie, den Leser dieses Buchs, ausgegangen:

• Sie interessieren sich für Zusammenhänge und Erklärungen rund um das Phänomen der Wechselstromtechnik.
• Sie wollen etwas Neues lernen oder bekanntes Wissen festigen.
• Sie können mit den Gesetzen und Vorgehensweisen der Mathematik für die gymnasiale Oberstufe umgehen.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch besteht aus sechs Teilen, die jeweils mehrere Kapitel beinhalten. Die Kapitel fasse ich in der Folge kurz für Sie zusammen, damit Sie entscheiden können, welche Inhalte für Sie von Interesse sind.

Teil I: Besonderheiten der Wechselstromtechnik

Der Teil I mit seinen vier Kapiteln ist den Grundlagen gewidmet:

• In Kapitel 1 sind die wesentlichen mathematischen Grundlagen zusammengefasst, die Sie zum Lösen der Aufgaben für die Wechselstromtechnik brauchen. Insbesondere lernen Sie hier die Grundregeln zum Rechnen mit komplexen Zahlen kennen.
• In Kapitel 2 verstehen Sie die Entstehung von Wechselgrößen und freunden sich mit sinusförmigen Wechselgrößen an.
• In Kapitel 3 stelle ich Ihnen Kennwerte sinusförmiger Wechselgrößen wie die Amplitude, die Phasenverschiebung, den Mittel- und den Effektivwert vor.
• In Kapitel 4 zeige ich Ihnen, wie Sie Wechselgrößen sehr einfach grafisch darstellen und dann berechnen können.

Teil II: Widerstand, Spule und Kondensator an Wechselgrößen

Im Teil II stehen in vier Kapiteln der Ohm'sche Widerstand, die Spule und der Kondensator im Fokus unserer gemeinsamen Betrachtung.

• In Kapitel 5 werden Sie den Widerstand nun auch komplex kennenlernen.
• In Kapitel 6 widmen wir uns dem Ohm'schen Widerstand und dessen besonderem Verhalten im Wechselstromkreis.
• In Kapitel 7 steht das Verhalten der Spule im Vordergrund. Lassen Sie sich überraschen, wie diese mit Wechselstrom wirkt!
• In Kapitel 8 betrachten Sie den Kondensator als kapazitiven Blindwiderstand an Wechselstrom.

Teil III: Gemischte Schaltungen an Wechselgrößen

Im Teil III wenden Sie das zuvor Gelernte für alle drei Bauteile und deren Zusammenschaltung an Wechselgrößen an. Lassen Sie sich überraschen, was dabei Kurioses herauskommt.

• In Kapitel 9 schauen Sie sich die drei Bauteile in Reihenschaltung an.
• In Kapitel 10 erleben Sie das Verhalten der drei Bauteile in Parallelschaltung.
• In Kapitel 11 lernen Sie, wie man durch Ersatzzweipole von einer Reihen- zu einer Parallelschaltung und wieder zurückgelangt.
• In Kapitel 12 stehen die Leistungen im Wechselstromkreis im Vordergrund. Auch hier werden Sie überrascht sein, was der Kondensator und die Spule in dieser Hinsicht zu bieten haben!

Teil IV: Frequenzgang, Ortskurve und Filterschaltungen

Bei der Betrachtung frequenzabhängiger Wechselfelder sind die beiden grafischen Darstellungsformen des Frequenzgangs und der Ortskurve von zentraler Bedeutung. Anhand verschiedener Filterschaltungen werden Sie deren Genialität selbst zu schätzen lernen!

• In Kapitel 13 lernen Sie die Grundlagen der Frequenzgangdarstellung kennen.
• In Kapitel 14 stehen sowohl der Frequenzgang als auch die Ortskurve im Zentrum unseres Interesses. Wie stellt man sie dar und wie kann man damit Berechnungen durchführen?
• In Kapitel 15 lernen Sie die besondere Dynamik elektrischer RLC-Filterschaltungen an Wechselstrom kennen. Freuen Sie sich auf Tief- und Hochpassschaltungen sowie die Schaltung zum Bandpass!
• In Kapitel 16 tauchen Sie in die Welt der Resonanz und die Besonderheiten der Spannungs- und Stromresonanz ein. In diesem Zuge lernen Sie auch die berühmte Thomson'sche Schwingungsformel kennen.

Teil V: Drehstrom als Dreiphasen-Wechselstrom

Im Teil V dieses Buchs erfahren Sie alles über das (dem Wechselstrom nah verwandte) Drehstromsystem und berechnen dessen wesentliche Kenngrößen.

• In Kapitel 17 stehen die Erzeugung und die Darstellung des Dreiphasen-Wechselstroms im Vordergrund.
• In Kapitel 18 gehen wir auf die Stern- und die Dreieckschaltung eines Generators ein.
• In Kapitel 19 schauen wir uns die verbrauchsseitige Sternschaltung mit und ohne Neutralleiter sowie die verbrauchsseitige Dreieckschaltung an.
• In Kapitel 20 kommen die Leistungen im Drehstromnetz zum Zuge.

Teil VI: Der...