7.1 Erweiterte Knotenregel für Ladungen



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7.1 Erweiterte Knotenregel für Ladungen

   

Jedem Anschluß des -Pols wird eine ``virtuelle Ladung''    nach folgenden Regeln zugeordnet:

gibt an, daß das Bauteil keine Ladung von der Anode zur Kathode bzw. umgekehrt durchläßt.

Die verallgemeinerte Knotenregel für Ladungen lautet nun:

Für jeden Knoten eines Netzwerkes ist die Summe der realen und virtuellen Ladungen über alle Anschlüsse summiert, die in den Knoten münden, gleich .

Das Gleichungssystem für diese Regel lautet:

 

wobei die Koeffizientenmatrix der 1. Kirchhoff'schen Regel ist.

Es ist zu beachten, daß die nicht in allen Fällen (z.B. bei einem Netzwerk, das nur aus Spannungsquellen und Widerständen besteht) berechnet werden kann. Dies ist ungewöhnlich aber nicht störend, da die ja nur helfen sollen, eine einfache Beschreibung des Netzwerks zu erhalten. Die konkreten Werte werden nicht benötigt. Die Werte sind jedoch durch die Anfangsbedingungen (0) definiert.

Die Regel 7.3 kann leicht anhand des Beispiels in Abbildung 7.1 auf die in 5.3 abgeleitete Ladungsregel für die äußeren Kondensatoren zurückgeführt werden.

  
Abbildung 7.1: Kapazitiver Stern

Beim Übergang von n-Polen zu Zweipolen reicht eine virtuelle Ladung für jedes Bauteil aus. Die Zählpfeilrichtung wird wie für die realen Ladungen gewählt.

Wir haben für das Volumen eine Ladungsregel, welche die gespeicherten Ladungen in den Platten der drei Kondensatoren an der Oberfläche des Volumens enthält.

 

Aufgrund obiger Definition ( für Kondensatoren) können wir Gleichung (7.5) abwandeln.

 

Der offene Schalter entspricht einem Leitwert mit Leitfähigkeit 0 und ist als 0 definiert. ist nicht definiert, wobei im energielosen Zustand der Wert 0 festgelegt wird. Wir können nun den Schalter in Gleichung (7.6) einfügen und erhalten (7.7):

 

Gleichung (7.7) kann in folgende Form umgeschrieben werden:

 

Gleichung (7.8) ist für Knoten, in die nur Kondensatoren und offene Schalter (oder Leitwerte mit Wert 0) münden, aufgrund der Ladungsregel (5.9) und obiger Definitionen gültig. Es soll nun bewiesen werden, daß Gleichung (7.8) für jeden Knoten der Schaltung gültig ist. Der Beweis kann leicht anhand der Schaltung in Abbildung 7.1 nachvollzogen werden. Es soll gezeigt werden, daß die Gleichung für Knoten richtig ist. Für die Knoten , und resultiert die Regel (7.8) in die folgenden zusätzlichen Gleichungen:

Durch Substitution dieser drei Gleichungen in Gleichung (7.7) erhält man Gleichung (7.12).

 

Gleichung (7.12) ist exakt die Regel (7.8) für Knoten . Damit ist gezeigt, daß Gleichung (7.8) für jeden Knoten des elektrischen Netzwerks gültig ist.

In den obigen Gleichungen wurde angenommen, daß Schalter offen ist. Das Volumen hat daher keine leitende Verbindung zur Umgebung und zu möglichen Energiequellen. Als nächstes soll nun der Fall behandelt werden, wenn Schalter geschlossen ist oder war. Gleichung (7.5) für Volumen muß in der Form (7.13) umgeschrieben werden, wobei die gesamte Ladung, die in das Volumen eingebracht wurde, symbolisiert.

 

Durch Vergleich der Gleichungen (7.13) und (7.7) ergibt sich die Beziehung

 

Da für den Schalter definiert ist, kann (7.14) vereinfacht werden:

 

Aufgrund von Gleichung (7.15) kann der Wert von als die gesamte Ladung, die in Volumen eingebracht wurde, betrachtet werden. Verallgemeinert kann gesagt werden:

Die Summe der virtuellen Ladungen der Elemente an der Oberfläche eines Volumens repräsentieren die Gesamtladung, die in das Volumen eingebracht wurde oder dem Volumen entzogen wurde.

Zum Abschluß der Diskussion der erweiterten Ladungsregel ist noch die Definition für Stromquellen zu begründen. Diese Festlegung kann am besten anhand einer einfachen Schaltung, die aus einer Stromquelle zu der ein Kondensator parallel geschaltet ist, motiviert werden. Aufgrund der physikalischen Gesetze ist dies keine zulässige Schaltung, wenn die Stromquelle einen Strom ungleich 0 einprägt. Wenn wir die erweiterte Ladungsregel (7.8) für einen der beiden Knoten der Schaltung aufstellen, erhalten wir die Gleichung

 

Durch Einsetzen der definierten Werte von und wird Gleichung (7.16) vereinfacht:

 

Die Bauelement-Gleichungen des Kondensators sind:

 

Durch Einsetzen der Bauelement-Gleichung der Stromquelle und Integration von Gleichung (7.18) erhält man

 

Vergleicht man Gleichung (7.17) mit (7.20) ergibt sich die Beziehung (7.21).

 

Diese Beziehung ist nur unter zwei Bedingungen erfüllt:

  1. Zum Zeitpunkt 0, also dem energielosen Zustand des Netzwerks
  2. Für Stromquellen mit dem Wert 0.
Damit beschreibt Beziehung (7.21) exakt die physikalischen Gesetze.



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Martin Stiftinger
Fri Jun 9 19:49:39 MET DST 1995