Theoretische Elektrotechnik und Elektronik

Jede technische Aufgabe kann im Prinzip durch Probieren gelöst werden, z. B. der Bau eines Elektromotors oder einer Verstärkerröhre oder einer Fernsprechverbindung. Erfüllt das erste Gerät nicht die gewünschten Bedingungen, ist z. B. die Leistung des Elektromotors nicht ausreichend oder zeigen sich irgendwelche anderen Mängel, dann wird man ein zweites Gerät herstellen und versuchen, durch Abänderungen diese Mängel zu beseitigen, und es ist wahrscheinlich, daß man bei Verwertung der dabei gemachten Erfahrungen nach einer gewissen Anzahl von Versuchen schließlich zu einem brauchbaren Gerät kommen wird. Dieses empirische Verfahren ist in der Tat das Verfahren, das in der Technik, besonders in der Anfangszeit neuer Zweige der Technik, häufig angewendet wurde und noch angewendet wird. Offensichtlich erfordert es aber zumindest große Aufwendungen an Hilfsmitteln und an Zeit. Sie lassen sich um so mehr verringern, je genauer man die Vorgänge kennt, die sich in der betreffenden Einrichtung abspielen. Diese Kenntnis kann zwar grundsätzlich nur durch Erfahrung ermittelt werden; es ist jedoch möglich, auch ohne daß Erfahrungen mit der besonderen Einrichtung vorliegen, um deren Herstellung es sich handelt, Voraussagen über ihre Eigenschaften zu machen. Dazu dient die Theorie.

Ein stationäres elektrisches Feld ist dadurch gekennzeichnet, daß auf ruhende elektrische Ladungen zeitlich konstante mechanische Kräfte ausgeübt werden. Solche Kräfte treten immer auf, wenn zwischen beliebigen Punkten eines isolierenden Raumes konstante Spannungen aufrechterhalten werden. Insbesondere ergibt sich ein elektrostatisches Feld, wenn sich in dem isolierenden Raum nur ruhende Ladungen befinden, z. B. zwei oder mehrere elektrische Leiter (Elektroden), zwischen denen Potentialunterschiede bestehen, ohne daß elektrische Ströme fließen.

Wie mit dem Vorhandensein elektrischer Spannungen immer ein elektrisches Feld verbunden ist, so tritt immer ein magnetisches Feld auf, wenn elektrische Ströme fließen, wenn sich also elektrische Ladungen bewegen. Ein stationäres magnetisches Feld entsteht, wenn es sich um Gleichstrom handelt. Das magnetische Feld kann wie das elektrische durch Feldlinien veranschaulicht werden. Von dem Verlauf dieser Linien geben die bekannten Versuche mit Eisenspänen eine Vorstellung. Auf langgestreckte Eisenspäne oder auf Magnete werden im magnetischen Feld mechanische Kräfte ausgeübt, die die Eisenspäne in eine bestimmte Richtung zu drehen suchen. Dadurch wird die Feldlinienrichtung an jeder Stelle des Feldes definiert. Diese Feldlinien bezeichnet man hier als magnetische Induktionslinien oder als magnetische Feldlinien; sie veranschaulichen den magnetischen Induktionsfluß, der in Analogie zu dem Verschiebungsfluß im elektrischen Feld steht.

Die Wechselspannung mit dem zeitlichen Verlauf hat eine überragende Bedeutung, weil sie sich nach dem Induktionsgesetz am Rotor eines Generators direkt ergibt und weil die Netze der Energietechnik mit Sinusspannungen betrieben werden. Die Signale der Informationstechnik lassen sich aus harmonischen Sinusschwingungen nach Fourier additiv zusammensetzen. Prinzipiell sind die Sinusschwingungen fundamental für alle linearen Bauelemente und Schaltungen, denn diese werden durch lineare Differentialgleichungen beschrieben, und Sinusschwingungen gehen bei der Bildung des zeitlichen Differentialquotienten wieder in Cosinus- oder Sinusschwingungen über, sie sind also Lösungen der Schaltungsgleichungen.

In einem veränderlichen elektrischen Feld ist der Verschiebungsstrom nach Abschnitt 16 definiert als die Zunahme des Verschiebungsflusses geteilt durch die Zeit.

Unter einem Impuls versteht man in der Elektronik eine einmalige Zeitfunktion u (t) einer Größe, eines Signals. Ein Spannungsimpuls, Stromimpuls oder auch ein Druckimpuls hat in diesem Zusammenhang nichts mit dem Impuls mv der Mechanik zu tun.

Wenn es auch in vielen Fällen möglich ist, eine nichtlineare Kennlinie im Arbeitsbereich zu linearisieren oder durch eine einfache Potenzreihenentwicklung anzunähern, so gibt es andererseits Bauelemente, die von sich aus eine Kennlinie haben, die wir dann als wesentlich nichtlinear bezeichnen, wenn eine solche Reihenentwicklung nicht mehr praktikabel ist. Ein typisches Beispiel für einen solchen Zweipol ist die Tunneldiode, deren Kennlinie die Abb. 51.1 zeigt. Der Strom steigt bei ihr mit zunehmender Spannung sehr steil an, fällt nach Durchlaufen eines Maximums wieder, um schließlich wie ein normaler Diodenstrom mit der Spannung anzusteigen. Der fallende Kennlinienteil hat einen negativen differentiellen Widerstand und führt zu völlig neuen und wichtigen Anwendungen. Er führt einerseits zu bistabilen Schaltungen und andererseits durch Entdämpfung eines Schwingkreises zum Oszillator.