HOCHSCHULBÜCHER

FÜR

PHYSIK

H E R A U S G E G E B E N VON ROBERT ROMPE UND E R N S T SCHMUTZER BAND 3

MODERNE MESSMETHODEN DER PHYSIK VON

PROF. DR.-ING. F R A N Z XAVER

EDER

Technische Hochschule München und Zentralinstitut für Tieftemperaturforschung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München TEIL

III

ELEKTROPHYSIK Mit 887 Abbildungen im Text

VEB DEUTSCHER VERLAG DER BERLIN

1972

WISSENSCHAFTEN

INHALTSVERZEICHNIS

§ 1 ELEKTRISCHE MASSSYSTEME UND EINHEITEN

29

1.1 Dimensionssysteme der Elektrodynamik

29

1.11 Rationale und nichtrationale Definition der Größen 1.12 Darstellung in drei Grundgrößen 1.13 Darstellung in vier Grundgrößen 1.14 Beziehungen zwischen Systemen mit drei und vier Grunddimensionen

1.2 Grundeinheiten des Internationalen Einheitensystems 1.21 Das 1.22 Das 1.23 Die 1.24 Das

Meter (m) Kilogramm (kg) Sekunde (s) Ampere (A)

1.3 Einheitensysteme der Elektrodynamik 1.31 1.32 1.33 1.34

CGS-System MKSA-System msVA-System Darstellung der Grundeinheiten des MKSA-Systems

1.4 Praktische Benutzung des MKSA-Systems § 2 SPANNUNGS- UND STROMMESSUNG (GLEICHSTROM) 2.1 Elektrostatische Instrumente 2.11 Theorie der elektrostatischen Instrumente 2.12 Fadenelektrometer 2.13 Blättchenelektrometer 2.14 Quadranten- und Nadelelektrometer 2.16 Zeigerelektrometer 2.16 Elektrostatische Hochspannungsvoltmeter 2.17 Rotationsvoltmeter

2.2 Strommeßgeräte 2.21 Allgemeine Galvanometertheorie 2.211 Empfindlichkeit 2.212 Bewegungsgleichung 2.213 Lösung der Bewegungsgleichung 2.214 Aus- und Einschaltvorgang 2.215 Periodischer Strom 2.216 Ballistischer Ausschlag 2.217 Kriechgalvanometer

29 30 30 30

31 33 33 33 34

34 34 35 36 36

37 . . . 38 38 39 43 47 47 52 53 55

57 57 57 59 60 60 63 65 68

5

INHALTSVEBZEICHNIS

2.22 Drehspulinstrument 2.221 Theorie des Drehspulsystems 2.222 Normempfindlichkeit 2.223 Ballistische Empfindlichkeit 2.224 Fluxmetrische Empfindlichkeit 2.226 Bauelemente 2.226 Ablesung, Beispiele 2.23 Andere Instrumente nach dem Drehspulprinzip 2.231 Differenzgalvanometer 2.232 Kreuzspulinstrument 2.233 Das T-Spul-Meßsystem 2.234 Taumelspulgalvanometer 2.24 Saitengalvanometer 2.241 Theorie des Saitengalvanometers 2.242 Ausführung des Saitengalvanometers 2.25 Drehmagnetgalvanometer 2.251 Theorie des Drehmagnetgalvanometers 2.252 Stromempfindlichkeit und Dämpfung 2.253 Astasierung 2.254 Schirmung 2.255 Ablehkspulen 2.256 Normempfindlichkeit 2.257 Magnetsystem 2.258 Ausführungsformen 2.26 Gebrauch des Galvanometers 2.261 Erschütterungsfreie Aufstellung 2.262 Galvanometerablesung 2.263 Fremdfeldempfindlichkeit 2.264 Eichung von Galvanometern 2.265 Empfindlichkeitsregelung 2.266 Galvanometerauswahl 2.27 Nachweisgrenzen 2.28 Galvanometerverstärker 2.281 Thermorelais 2.282 Fotoelektrische Verstärkung 2.283 Galvanometerverstärker 2.284 Ausgeführte Galvanometerverstärker

2.3 Spannung«- und Strommessung 2.31 Voltmeter 2.32 Elektronische Spannungsverstärkung 2.33 Voltmeter mit Wechselspannungsverstärkung 2.331 Mechanischer Unterbrecher 2.332 Supraleitende Gleichspannungsverstärker 2.333 Feldplattenmodulator 2.334 Kapazitiver Modulator 2.335 Transistormodulator 2.336 Supraleitende Quanteninterferometer (SQUID)

6

69 69 71 72 72 73 77 79 79 80 81 82 83 83 85 86 86 87 88 89 89 91 91 92 94 94 94 96 97 100 101 104 105 105 105 106 108

110 110 111 115 116 117 120 120 124 124

INHALTSVERZEICHNIS

2.34 Kompensationsverfahren 2.341 Kompensatoren 2.342 Kompensatoren für kleine Spannungen 2.343 Selbstabgleichende Kompensatoren 2.344 Quotientenbildung mit Kompensatoren 2.346 Fotozellenkompensator

126 126 130 133 135 135

2.35 Digital anzeigende Voltmeter

135

2.36 Messung hoher Spannungen 2.361 Elektrostatische Methoden 2.362 Spannungsteilung durch Widerstände 2.363 Vergleich mit Spannungsquellen bekannter Größe 2.364 Messung der Absolutspannung mittels Elektroneninterferenzen. 2.365 Spannungsmessung mittels Stark-Effekt 2.366 Hochspannungsmessung mittels elektrooptisohem Effekt . . .

138 138 139 140 140 141 141

2.37 Gleichstrommessung 2.371 Stromwaagen 2.372 Amperemeter 2.373 Strommessung durch Kompensation 2.374 Messung sehr starker Ströme

142 143 143 144 144

2.38 Stromintegration, Ladungsmessung 2.381 Ballistische Messung der Ladung 2.382 Aufladen eines Kondensators 2.383 Stromintegratoren

145 145 146 147

2.39 Messung der Gleichstromleistung

2.4 Elektrische Feldmessung 2.41 Potentialgleichung 2.42 Elektrische Feldstärkemessung 2.43 Elektrolytischer Trog ^. 2.44 Elektrische Sonden

2.5 Gleichstromzählgeräte 2.51 Elektrolytzähler 2.52 Magnetmotorzähler 2.53 Elektrodynamischer Zähler

2.6 Registriergeräte 2.61 Linienschreiber 2.62 Punktschreiber 2.63 Kompensationsschreiber 2.64 Lichtpunktlinienschreiber 2.65 Nachlaufschreiber 2.66 Koordinatenschreiber 2.67 Diagrammabtaster 2.68 Lochstreifenaufzeichnung

f . 149

150 151 153 153 155

155 155 156 157

158 158 159 159 160 160 160 161 162

7

INHALTSVERZEICHNIS

§ 3 LINEARE NETZWERKE

163

3.1 Grundlagen der Netzwerktheorie

163

3.2 Gleichstromnetzwerk

166

3.21 Überlagerungstheorem 3.22 Reziprozitätstheorem 3.23 Kompensationstheorem 3.24 THBVENIN-Theorem 3.26 Transformation von Netzwerken 3.26 Linearer Vierpol 3.27 Spannungsübertragung

.

3.3 Einschaltvorgänge 3.31 Einschaltvorgänge in Serien-ЛО- und -AL-Kreisen 3.32 Impulsvorgänge in iJC-Kreisen 3.33 Impulsvorgänge in .RL-Kreisen 3.34 Impulsvorgänge im .RZC-Kreis 3.36 Impulsvorgänge in parallelgeschalteten BL- und iJC-Kreisen . . . .

3.4 Wechselstromnetzwerke 3.41 Komplexe Schreibweise 3.42 Serien- und Parallelschaltung von Impedanzen 3.43 Elektrische Leistung 3.44 Resonanzkreise 3.45 Netzwerke mit induktiver Kopplung ijfe- 3.46 Idealer Transformator 3.47 Gekoppelte Resonanzkreise 3.48 Wechselstrombrücken

166 167 167 167 168 169 171

172 172 173 174 176 177

178 178 180 181 182 184 186 187 190

3.5 Passive Vierpole

191

3.6 Filter

195

3.7 Kettenleiter, Fortleitungen

199

3.8 Aktive Vierpole

200

§ 4 VERSTÄRKER- UND GLEICHRICHTERELEMENTE

206

4.1 Grundlagen der Elektronenröhre

206

4.11 Glühemission 4.12 Diode 4.13 Gleichrichtung mit Röhrendioden 4.14 Triode 4.141 Allgemeines 4.142 Kennlinien und Triodenparameter 4.143 Verstärkungseigenschaften der Triode 4.144 Elektrometerröhren

8

206 208 209 211 211 212 213 215

INHALTSVEEZEICHNIS

4.15 Pentode 4.16 Hexoden und Heptoden 4.17 Experimentelle Bestimmung der Röhrenkennlinien 4.18 Anwendungsbedingungen

4.2 Grundlagen von Halbleiterverstärkera und -gleichrichtern 4.21 Allgemeines über Halbleiter 4.22 Leitfähigkeit in Halbleitern 4.23 pn-Übergang 4.24 Halbleitergleichrichter 4.241 Gleichrichter für größere Ströme 4.242 Halbleiterdioden 4.243 Zener-Dioden 4.244 Tunneldiode

21S 218 222 224

225 225 227 230 232 232 233 234 236

4.25 Grundlagen des Transistors 239 4.26 Bauformen von Transistoren 244 4.261 Spitzentransistor 244 4.262 Legierungstransistor 245 4.263 Transistor mit pn-Übergängen nach dem Zugverfahren . . . . 246 4.264 Mesa-Transistor 247 4.265 Planartransistor 248 4.266 Leistungstransistor 248 4.267 Feldeffekttransistor 249 4.268 Schalttransistor 251 4.27 Transistoreigenschaften . 253 4.271 Statisches Kennlinienfeld bei Basisschaltung m. 253 4.272 Emitterkennlinien 7 . 254 4.273 Kollektorschaltung 256 4.274 Vierpoldarstellung 256 4.275 Ersatzkreis bei hohen Frequenzen 258 4.276 Konversion von Ersatzkreisen 259 4.28 Experimentelle Aufnahme der Transistorkennlinien 260

4.3 Gasentladungsröhren 4.31 Durchgang von elektrischem Strom durch Gase 4.32 Plasmaentladung 4.33 Lichtbogen 4.34 Gleichrichter 4.35 Thyratron 4.36Ignitron 4.37 Glimmröhren

261 261 263 265 267 267 268 269

4.4 Hall-Generator

270

4.5 Supraleitende Verstärker und Schaltelemente

272

4.51 Magnetisches Verhalten eines Supraleiters 4.52 Supraleitende Schalter 4.53 Kryotron 4.54 Klmkryotron 4.55 Supraleitende Speicherelemente

272 273 274 275 278

9

INHALTSVERZEICHNIS

4.6 Rauscheigenschatten 4.61 Allgemeines 4.62 Rauschen in Widerständen 4.63 Rauschen in Hochvakuumröhren 4.64 Rauschen in Kristallgleichrichtern 4.65 Rauschen in Transistoren

281 281 281 282 284 284

§ 5 AKTIVE KREISE (GLEICHRICHTER, VERSTÄRKER, OSZILLATOR)

286

5.1 Gleichrichtung

286

5.11 Grundsätzliches 5.12 Halbwellengleichrichter mit ohmscher Last 5.13 Vollweggleichrichter; Welligkeit 5.14 Gleichrichter mit Filter 5.141 Filter mit Nebenschlußkapazität 5.142 Filter mit Serieninduktivität 5.143 iC-Filter; Filterkette 5.144 Kritischer Widerstand BB 5.145 iT-Filter

286 287 288 291 291 294 297 299 300

5.15 Graetz-Schaltung 5.16 Gleichrichter mit Spannungsvervielfachung 5.17 Gleichspannungskonverter

300 301 303

5.2 Verstärker

10

303

5.21 Allgemeines 5.22 Verstärker für kleine Signale 5.221 Verstärker mit Katode bzw. Emitter an Erde 5.222 Verstärker mit Gitter bzw. Basis an Erde 5.223 Verstärker mit Anode bzw. Kollektor an Erde (Katodenfolger). 5.23 Frequenzverhalten eines Verstärkers 5.231 Frequenz- und Phasenverhalten des Verstärkers mit geerdeter Katode 5.232 Vergrößerung der Bandbreite von Bö-Verstärkern 5.233 Schmalbandverstärker 5.234 Impulsverhalten des ЛО-Verstärkers 5.235 Fourier-Zerlegung einer Impulsfolge

304 305 305 309 312 315

5.24 Niederfrequenz-Leistungsverstärker 5.241 Verstärkerausgang 5.242 Idealer ^-Verstärker 5.243 Amplitudenverzerrung, Klirrfaktor 5.244 Intermodulationsverzerrung 5.245 Transistor-A -Verstärker 5.246 Gegentaktverstärker 5.247 Transistor-Gegentaktverstärker

327 327 328 329 330 331 332 335

5.25 Rückkopplung im Verstärker

336

316 319 321 322 325

INHALTSVERZEICHNIS

5.26 Direkt gekoppelter Verstärker 5.261 Widerstandsgekoppelter Verstärker 6.262 Katodenkopplung 5.263 Differenzverstärker 5.264 Elektrometerröhrenverstärker 5.265 Direkt gekoppelte Transistorverstärker 5.266 Modulierter Gleichspannungsverstärker

340 341 342 343 344 345 347

5.27 Rauschen im Verstärker

348

5.3 Rechenverstärker 5.31 Wirkungsweise 5.32 Rechenoperationen 5.33 Analogrechner 5.34 Nichtlineare Rechenelemente 5.35 Ausgeführte Operationsverstärker

5.4 Oszillatoren 5.41 Rückkopplung in Oszillatoren 5.42 Betriebsweise des rückgekoppelten Oszillators 5.43 ДС-Oszillator 5.44 Direkt gekoppelter Oszillator 5.45 Transistoroszillatoren 5.46 Quarzgesteuerter Oszillator 5.47 Oszillator mit fallender Kennlinie

5.5 Nichtlineare Kreise 5.51 Begrenzer 5.52 Gleichrichtung 5.53 Multivibrator 5.54 Triggerkreis 5.55 Scalerkreise

5.6 Ablenkkreise

348 349 350 352 353 354

357 358 359 361 362 364 365 367

368 369 370 371 373 375

375

5.61 Glimmröhren 5.62 Thyratronablenkkreise 5.63 Ablenkkreis mit Elektronenröhre 5.64 Linearisierung der Ablenkspannung 5.65 Spezielle Ablenkkreise

375 377 377 378 380

§ 6 NIEDERFREQUENTER WECHSELSTROM

381

6.1 Definition der Wechselstromgrößen

381

6.11 Effektiv- und Mittelwerte 6.12 Wechselstromleistung 6.13 Mehrwelliger Strom 6.14 Mehrphasenströme

6.2 Wechselstromerzeuger 6.21 Wechselspannungsmaschine

381 382 383 384

385 385 11

INHALTSVERZEICHNIS

6.22 Röhrengenerator 6.221 £C-Oszillator 6.222 Quarzgesteuerter Oszillator 6.223 .RC-Oszillator 6.224 Mehrphasen-iJC-Oszillator 6.226 Oszillator mit Rechenverstärkern

386 386 387 388 390 391

6.23 Schwebungsgenerator 6.24 Spezielle Niederfrequenzgeneratoren 6.26 Transformator 6.26 Leistungsverstärker

391 393 394 394

6.3 Strom- und Spannungsmessung bei Wechselstrom

394

6.31 Wechselstrominstrumente 6.311 Dreheiseninstrument 6.312 Elektrodynamische Instrumente 6.313 Induktionsinstrumente 6.314 Thermische Instrumente 6.315 Elektrostatische Instrumente

394 394 397 399 399 401

6.32 Gleichrichterinstrumente 6.321 Allgemeines 6.322 Aussteuerbereiche 6.323 Meßgleichrichter-Schaltungen 6.324 Einbereichsinstrumente 6.325 Mehrbereichsinstrumente 6.326 Mechanische Gleichrichter

401 401 402 404 405 405 407

6.33 Meßwandler 6.331 Allgemeines 6.332 Stromwandler 6.333 Spannungswandler

408 408 408 409

6.34 Resonanzinstrumente 6.341 Theorie des Vibrationsgalvanometers 6.342 Frequenzunabhängigkeit des Ausschlags 6.343 Nadelvibrationsgalvanometer 6.344 Drehspul-Vibrationsgalvanometer 6.345 Piezoelektrische Vibrationsgalvanometer

12

410 . 410 411 412 413 413

6.35 Röhrenvoltmeter 6.361 Diodenvoltmeter mit Gleichspannungsverstärkung 6.352 Anodengleichrichtung 6.353 Scheitelspannungsröhrenvoltmeter . . . . г 6.354 Meßverstärker 6.355 Messung hoher Spannungen 6.366 Nullindikatoren 6.357 Logarithmische Röhrenvoltmeter 4" 6.358 Digitalmeßverfahren

413 414 415 416 417 417 418 418 419

6.36 Meßbrücken für Wechselstrom 6.361 Abgleichbedingungen

419 419

INHALTSVERZEICHNIS

6.362 Stromquellen und Indikatoren •vf 6.363 Brückenschaltungen 6.37 Wechselstromkompensator

6.4 Leistungsmessung bei Wechselstrom 6.41 Elektrodynamometer 6.42 Thermische Leistungsmesser 6.43 Leistungsmessung mit dem Elektrometer 6.44 Leistungsmessung mit Katodenstrahloszillografen 6.45 Röhrenwattmeter 6.46 Induktionszähler

6.5 Frequenzmessung bei Tonfrequenz 6.51 Absolute Frequenzmessung; Zählverfahren 6.52 Frequenzvergleich 6.53 Zungenfrequenzmesser 6.54 Frequenzmeßbrücken 6.55 Direkt anzeigende Frequenzmesser

6.6 Phasenmessung 6.61 Elektrodynamischer Quotientenmesser 6.62 Mechanische Gleichrichter 6.63 Ringmodulator 6.64 Phasenmessung mit Katodenstrahloszillografen 6.65 Phasenschieber 6.66 Elektronische Phasenmesser

6.7 Aufzeichnung der Kurvenform; Oszillografie

420 521 422

424 424 425 426 426 427 428

429 429 430 431 431 432

433 434 434 434 435 435 437

437

6.71 Elektrodynamischer Oszillograf 6.711 Theorie 6.712 Schleifenkonstruktion 6.713 Flüssigkeitsoszillograf 6.714 Lichtpunkt-Linienschreiber 6.715 Lichtstrahloszillograf 6.716 Spezielle Lichstrahloszillografen

437 437 438 439 439 440 441

6.72 Messung der Kurvenform durch Analysator 6.73 Elektronenstrahloszillograf (ESO) 6.731 Grundlagen 6.732 Leuchtschirm 6.733 Nachbeschleunigung 6.734 Abschirmung des ESO 6.735 Spezielle Bauformen der Elektronenstrahlröhre

441 442 442 444 445 446 446

6.74 Aufbau des ESO 6.75 Mehrfachaufzeichnung mit dem Einstrahloszillografen 6.76 Magnetbandoszillograf 6.77 Speicherröhre 6.78 Übersicht über die Anwendungsmöglichkeiten des ESO

446 448 449 449 450 13

INHALTSVERZEICHNIS

6.8 Digitale Meßtechnik

451

6.81 Grundlagen 6.82 Analog-Digital-Umsetzer 6.83 Spannung-Zeit-Umsetzer 6.84 Spannung-Frequenz-Umsetzer 6.86 Skalenstrecken-Umsetzer 6.86 Stufenumsetzer 6.87 Meßanzeige 6.88 Speicherung

451 461 452 463 463 453 454 454

6.9 Fernmessung

455

§ 7 HOCHFREQUENZMESSVERFAHREN

456

7.1 Hochlrequenzoszillatoren

456

7.11 ZC-Oszillator 7.12 Oszillatoren für sehr hohe Frequenzen 7.13 iJC-Oszillator 7.14 Quarzgesteuerter Oszillator 7.141 Piezoelektrische Kristalle 7.142 Schaltungen mit Quarzschwingern 7.143 Quarzuhren

456 458 460 460 460 462 462

7.15 Erzeugung von Rechteckspannungen und Impulsen 7.16 Frequenzwandler

462 464

7.2 Hochfrequenzverstärker

465

7.21 Hochfrequenzeffekte in Elektronenröhren 7.22 Hochfrequenzeffekte in Transistoren 7.23 Breitbandverstärker 7.24 Selektivverstärker

465 466 466 467

7.3 Messung von Strom, Spannung und Leistung

467

7.13 Strommessung bei Hochfrequenz 7.311 Betriebsstrommesser 7.312 Strommessung mit Bolometer 7.313 Vakuum-Thermoumformer 7.314 Normalstrommesser 7.32 Spannungsmessung bei Hochfrequenz 7.321 Röhrenvoltmeter 7.322 Spannungsteiler 7.323 Spannungsmessung mit dem ESO 7.324 Elektrostatische Spannungsmessung 7.325 Selektive Röhrenvoltmeter 7.33 Leistungsmessung bei Hochfrequenz 7.331 Leistungsnormale 7.332 Leistungsmessung mit Hilfe des ESO 7.333 Elektronische Wattmeter 7.334 Thermische Wattmeter

14

467 468 468 469 470 '.

470 470 471 472 472 473 473 473 473 474 474

INHALTSVERZEICHNIS

7.4 Frequenz- und Phasenmessung bei Hochfrequenz

475

7.41 Resonanzfrequenzmesser 7.411 Leuchtquarz als Prequenznormal 7.412 Resonanzmethode 7.413 Absorptionsfrequenzmessung

475 476 476 477

7.42 Frequenzmessung durch Vergleich 7.421 Erzeugung von Normalfrequenzen 7.422 Mischung von Normalfrequenzen 7.423 Schwebungsfrequenzmesser 7.424 Frequenzvergleich mit dem ESO

477 477 477 478 479

7.43 Frequenzmessung durch Zählung 7.44 Anzeigende Frequenzmesser 7.46 Messung der Phase 7.451 Phasenmessung mit dem ESO 7.452 Phasenempfindlicher Detektor 7.453 Direkte Phasenmessung 7.454 Verschiedene Methoden der Phasenmessung

480 480 480 480 480 481 482

7.5 Hochfrequenzmessungen an Kreisen und Netzwerken .

482

7.51 Substitutionsmethode 482 7.52 Messung mit dem Doppelspannungsteiler 483 7.53 Widerstand und Kreisgüte von Schwingungskreisen 485 7.531 Widerstandsvariation 485 7.532 Reaktanzvariation 486 7.533 Frequenzvariation 486 7.534 Widerstandsneutralisation 487 7.535 Messung der Kreisgüte 487 7.536 Messung der Ersatzgrößen bzw. der Kreisgüte eines Schwingquarzes 488 7.537 Darstellung von Resonanzkurven mit dem ESO 488 7.54 Hochfrequenzbrückenschaltungen 7.55 T-Netzwerke

7.6 Modulation und Demodulation

490 491

492

7.61 Amplitudenmodulation 7.611 Absorptionsmodulator 7.612 Gittermodulation . 7.613 Anodenmodulation 7.614 Brücken- und Ringmodulator

492 493 493 494 495

7.62 Frequenz- und Phasenmodulation 7.621 Frequenzmodulator 7.622 Phasenmodulation

495 496 496

7.63 Impulsmodulation 7.64 Nachweis amplitudenmodulierter Schwingungen 7.641 Modulationsmessung mit dem ESO 7.642 Diodendetektor

497 497 497 497

16

INHALTSVERZEICHNIS

7.643 Überlagerungsprinzip 7.644 Überlagerungsempfänger

498 499

7.65 Nachweis frequenzmodulierter Signale 7.66 Phasenempfindlicher Detektor

500 501

7.7 Messungen an HF-Leitungen

502

7.71 Leitungsgleichungen 7.72 Stehende Wellen 7.73 Spannungsmessung bei stehenden Wellen 7.74 Impedanzmessung 7.75 Messungen an langen Leitungen 7.76 Impedanzdiagramme für HF-Leitungen

502 505 506 508 508 509

§ 8 HÖCHSTFREQUENZPHYSIK

513

8.1 Hohlrohrleitungen

513

8.11 Ausbreitungsgleichungen im Hohlrohr 8.12 Hohlleiter von rechteckigem Querschnitt 8.13 Transversale elektrische Anregung im Rechteckrohr 8.14 Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt 8.15 Leistungsfluß 8.16 Anregung eines bestimmten Wellentyps 8.17 Anwendung von Hohlrohrleitern

513 514 516 518 522 523 523

8.2 Resonanzkreise 8.21 Resonanzfrequenz 8.22 Gütefaktor 8.23 Rechteckiger Resonator 8.24 Zylindrischer Resonator 8.25 Kugelresonatoren 8.26 Resonator mit dielektrischer Füllung 8.27 Supraleitende Resonatoren 8.28 Ankopplung von Hohlraumresonatoren

8.3 Erzeugung von Höchstlrequenzen durch Röhren 8.31 Gittergesteuerte Höchstfrequenztriode 8.32 Klystron 8.33 Wanderfeldröhre 8.34 Barkhausen-Kurz-Oszillator 8.35 Magnetron 8.36 Tunneldiode als Höchstfrequenzoszillator 8.37 Übersicht

8.4 Molekularverstärker 8.41 8.42 8.43 8.44 8.45

16

Grundlagen Quantitative Behandlung des Masers Gasmaser Festkörpermaser (Grundlagen) Ausgeführte Festkörpermaser

524

,

524 524 525 525 526 527 528 528

528 529 530 532 533 533 535 535

536 537 538 539 540 542

INHALTSVERZEICHNIS

8.46 Rauscheigenschaften der Maser 8.47 Zusammenstellung von Maser-Daten

543 543

8.5 Verstärkung von Mikrowellen

544

8.51 Rauschen 8.52 Molekularverstärker 8.53 Parametrische Verstärkung 8.54 Verstärkung mit Wanderfeldröhren 8.55 Überlagerungsverstärker

544 545 545 547 547

8.6 Nachweismethoden im Höchstfrequenzbereich

548

8.61 Grundsätzliches 8.62 Leistungsmessung 8.621 Kalorimetrische Leistungsmessung 8.622 Bolometerverfahren 8.623 Leistungsmessung mit Thermoelementen 8.624 Tieftemperaturbolometer 8.625 Kristalldetektor 8.626 Thermischer Halbleiterdetektor 8.627 Elektronenstrahl-Leistungsmesser 8.628 Verschiedene Leistungsmeßverfahren 8.63 Frequenzmessung im Mikrowellenbereich 8.631 Frequenznormale 8.632 Frequenzspektrometer 8.633 Frequenzstabilisierung 8.634 Wellenmesser 8.635 Wellenlängenmessung bei freier Ausbreitung 8.64 Phasenmessung bei Höchstfrequenz 8.641 Phasenschieber 8.642 Messung kleiner Phasenwinkel durch Interferometer 8.643 Phasenvergleich 8.644 Phasenmeßbrücke 8.645 Varactor-Diode als Phasenschieber 8.65 Höchstfrequenzoszillografie

8.7 Meßanordnungen im Mikrowellenbereich

564

8.71 Richtungs- und Polarisationsänderungen in Wellenleitern 8.72 Dielektrische Fenster in Wellenleitern 8.73 Entkopplung in Wellenleiter 8.74 Leitungsverzweigungen 8.75 Dämpfungsglieder und Richtkoppler 8.76 Ferrite in Hohlrohrleitern

8.8 Freie Wellenausbreitung bei Höchstfrequenzen 8.81 Grundsätzliches über die Abstrahlung 8.82 Hornstrahler 8.83 Spiegelstrahler 8.84 Linsen 8.85 Dielektrische Strahler 8.86 Schlitzstrahler 2 Eder III

548 548 549 549 551 551 552 552 554 554 555 555 556 557 558 560 561 561 561 562 563 563 554

564 565 566 567 569 570

571 '.

572 573 574 575 576 577 17

INHALTSVERZEICHNIS

§ 9 ELEKTRISCHER WIDERSTAND 9.1 Allgemeines über Widerstände 9.11 Ohmsches Gesetz 9.12 Einheit des Widerstandes * 9 .13 Widerstandsberechnung für beliebige Begrenzung 9.14 Skineffekt

7C 9.2 Elektrische Leitfähigkeit

678 579 579 580

582

9.21 Elektrische Leitfähigkeit von Metallen 9.22 Widerstand von Legierungen und verunreinigten Metallen 9.23 Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern 9.24 Widerstandsänderung im Magnetfeld 9.241 Widerstandsänderung von Metallen 9.242 Halbleiterwiderstand im Magnetfeld 9.243 Einfluß elektrischer Felder auf den Widerstand

582 587 590 593 593 595 595

9.25 Widerstandsänderung durch Gitterdefekte 9.251 Kleine Verformungen 9.252 Plastische Verformung 9.253 Abschrecken 9.254 Bestrahlungseffekte

595 596 596 597 597

9.26 Abhängigkeit des Widerstands vom Druck 9.27 Dickenabhängigkeit des Widerstandes . . . . , 9.28 Ionische Leitfähigkeit

598 599 601

9.3 Normal-, Meß- und Regelwiderstände

18

578 578

603

9.31 Fundamentale Widerstandsbestimmung 9.311 Mit Selbstinduktionsnormal 9.312 Mit Gegeninduktivitätsnormal 9.313 Durch Induktion im Magnetfeld 9.314 Mit Kapazitätsnormal

603 603 603 604 604

9.32 Werkstoffe für Normalwiderstände 9.321 Allgemeines 9.322 Manganin und ähnliche Legierungen 9.323 Andere Cu-Mn-Legierungen 9.324 Gold-Chrom-Legierungen 9.325 Nickel-Chrom-Legierungen 9.326 Werkstoffe für technische Widerstände

604 604 605 606 606 607 607

9.33 Normalwiderstände 9.34 Frequenzverhalten von Widerständen 9.35 Variable Widerstände 9.351 Kurbelwiderstände 9.352 Stöpselwiderstände 9.353 Schleifdrähte 9.354 Flüssigkeitswiderstände 9.355 Variabler Böhrenwiderstand

607 609 610 610 611 612 613 613

9.36 Nichtlineare Widerstände 9.361 Kaltleiter

613 613

INHALTSVERZEICHNIS

9.362 Heißleiter (Thermistor) 9.363 Varistor

614 615

9.37 Meßwiderstände bei Hochfrequenz

616

9.4 Messung des Widerstandes aus Strom und Spannung 9.41 Meßprinzip 9.42 Direkte Messung hoher Widerstände 9.43 Strommessung bei konstanter Spannung 9.44 Widerstandsmessung bei konstantem Strom ?^9.46 Direkte Widerstandsmessung an kompakten Proben 9.46 Impulsmessungen

9.5 Widerstandsmessung durch Vergleich

616 616 617 617 618 619 621

621

9.51 Vergleich mit dem Kompensator 7^-9.52 Widerstandsvergleich mit Differentialgalvanometer 9.53 Wheatstone-Brücke 9.531 Aufbau und Meßempfindlichkeit 9.532 Praktische Ausführung

621 622 622 622 625

yC_9-54 Thomson-Brücke 9.541 Schaltung und Prinzip 9.542 Anwendungen 9.543 Andere Doppelbrücken

627 627 628 629

9.55 Andere Brückenmethoden 9.56 Ohmmeter

629 631

9.6 Wechselstrommethoden 9.61 Wechselstrombrücken 9.62 Messung des Innenwiderstandes von Elementen ;4l.3 Induktionsmethoden 11.31 Bewegte Spule 11.32 Rotierende Spule 11.33 Magnetometer mit schwingender Probe 11.34 Magnetometer mit schwingender Spule 11.36 Direkte Induktionsmethode

11.4 Fluxmeter 11.41 Drehspulfluxmeter 11.42 Fluxmeter mit verstärkter Dämpfung 11.43 Drehspulfluxmeter mit Driftkompensation 11.44 Elektronischer Integrator 11.45 Supraleitende Fluxmeter 11.46 Feldmeßspulen

709 710 710 711 712

713 716 716 717 717 718 719

720 720 720 721 724 726 729

11.5 Nichtlinearität der B-H-Karve von ferromagnetischen Stoffen . . . . 729 11.6 Resonanzmethoden 11.61 Kemresonanzmagnetometer 11.611 Grundsätzliches 11.612 Kerninduktion und -absorption

731 731 731 732

21

INHALTSVERZEICHNIS

11.613 Nachweis der Kernresonanz 11.614 Ausgeführte Magnetometer 11.615 Angaben über Proben 11.62 Magnetometer mit Elektronenspinresonanz 11.63 Magnetometer mittels ferromagnetischer Resonanzen 11.64 Magnetometer mit Helikon-Resonanzen 11.65 Optische Magnetometer 11.66 Supraleitende Quanteninterferometer

733 734 736 737 738 739 740 742

11.7 Magnetfeldmessung durch galvanomagnetische Effekte

744

11.71 Hall-Effekt und Widerstandsänderung 11.72 Widerstandsänderung von Metallen im Magnetfeld 11.73 Magnetische Widerstandsänderung von Halbleitern 11.74 Feldmessungen mit Hall-Sonden

744 744 746 748

11.8 Weitere Feldmeßmethoden 11.81 Magnetooptische Feldmessung 11.82 Magnetronmagnetometer 11.83 Elektronenstrahlmagnetometer 11.84 Sichtbarmachen magnetischer Felder 11.85 Magnetometer mittels Barkhausen-Effekts

§ 12 EIGENSCHAFTEN MAGNETISCHER STOFFE

750 750 762 752 753 753

754

12.1 Allgemeines über Meßverfahren an dia- und paramagnetischen Substanzen 754 12.11 Grundlagen 12.12 Suszeptibilitätsmessung durch Kraftwirkung 12.13 Dynamische Methoden 12.14 Anisotropiemessungen 12.15 Impulsmessungen 12.16 Fluxmetermethode 12.17 Transformatorverfahren 12.18 HF-Methoden 12.19 Messung mit Induktivitätsbrücke

12.2 Diamagnetische Eigenschaften 12.21 Theorie des Diamagnetismus 12.22 Diamagnetismus der Atome, Ionen und Moleküle 12.23 Diamagnetismus der Metalle 12.24 Diamagnetismus der Halbleiter 12.25 Magnetisches Verhalten der Supraleiter

12.3 Paramagnetismus 12.31 Theorie des paramagnetischen Verhaltens 12.32 Meßverfahren 12.33 Ergebnisse: Metalle 12.34 Ergebnisse: Paramagnetische Salze 12.35 Paramagnetische Relaxation

22

754 756 765 766 766 767 768 769 770

772 772 773 773 775 775

780 780 782 783 784 784

INHALTSVEBZEICHNIS

^ 2 . 4 Ferromagnetische Eigenschaften

785

12.41 Theoretische Grundlagen 12.42 Entmagnetisierungsfaktor 12.43 Aufnahme von Induktionskurven im Gleichfeld 12.431 Messung an geschlossenen Proben 12.432 Jochmethoden 12.433 Jochverfahren mit direkter Feldstärkemessung 12.434 Magnetisierungsmessungen an Proben mit freien Enden. . . 12.435 Magnetische Waage 12.436 Aufzeichnung von Hysteresiskurven 12.437 Hysteresismessung in Impulsfeldern 12.438 Magnetisierungsmessungen in sehr starken Feldern 12.439 Magnetisierungsmessung mit magnetooptischem Kerr-Effekt.

786 788 790 790 790 792 793 794 794 795 797 797

12.44 Wechselfeldmethoden 12.441 Allgemeines 12.442 Aufnahme von Magnetisierungskurven 12.443 Messung der Ummagnetisierungsverluste 12.444 Messungen bei hohen Frequenzen

797 797 798 799 801

12.46 Messung der ferromagnetischen Kenngrößen 12.451 Anfangspermeabilität 12.452 Reversible Permeabilität 12.453 Koerzitivfeidstärke 12.454 Remanenzinduktion 12.455 Sättigungsinduktion

802 803 803 804 805 805

12.46 Messung der Magnetostriktion . . . 12.47 Nachweis ferromagnetischer Bezirke 12.48 Ferromagnetische Filme 12.49 Temperatur- und Druckabhängigkeit

806 808 809 811

12.5 Ferromagnetika 12.51 Ferromagnetische Elemente 12.52 Weichmagnetische Werkstoffe 12.53 Hochpermeable Ferromagnetika 12.54 Magnetische Werkstoffe für Wechselfelder 12.55 Magnetisch harte Materialien 12.56 Verhalten bei tiefen Temperaturen

811 811 812 813 814 816 817

12.6 Antiferromagnetismus

819

12.7 Ferrimagnetismus

820

12.8 Ferrite

823

§ 13 ERZEUGUNG VON MAGNETFELDERN

823

13.1 Magnetische Felder und Kreise

823

13.11 Durchflutungsgesetz 13.12 Grundgleichungen des magnetischen Feldes 13.13 Wirkung ferromagnetischer Medien

823 823 824 23

INHALTSVERZEICHNIS

13.14 Berechnung magnetischer Kreise 13.15 Zylindersymmetrisches magnetisches Feld 13.16 Helmholtz-Spulen 13.17 Energie des magnetischen Feldes 13.18 Kräfte im magnetischen Feld

13.2 Eisenlose Spulen für stationäre Felder 13.21 Feldberechnung 13.22 Konstruktionsprinzipien 13.23 Wasser-oder ölgekühlte Magnete 13.24 Mehrfachspulenmagnete 13.25 Höchstfeldspulen, mechanische Kräfte 13.26 Kryomagnete 13.27 Leistungsversorgung

13.3 Supraleitende Magnete 13.31 Typ-III-Supraleiter 13.32 Technische Supraleiter 13.33 Berechnung supraleitender Magnete 13.34 Konstruktion von supraleitenden Spulen 13.35 Beispiele von supraleitenden Spulen 13.36 Kryostate und Stromzuleitung 13.37 Stromversorgung von supraleitenden Magneten

134 Elektromagnete 13.41 Bauformen 13.42 Berechnung des magnetischen Kreises 13.43 Leistungsbedarf 13.44 Beispiele von Elektromagneten 13.45 Spezielle Elektromagnete

13.5 Dauermagnetsysteme 13.51 Dauermagnetischer Kreis 13.52 Dauermagnetische Werkstoffe 13.53 Permanentmagnete

13.6 Kurzzeitige Magnetfelder 13.61 Grundsätzliches 13.62 Entladung einer Kapazität 13.63 Kurzschluß eines Generators 13.64 Supraleitende Energiespeicher 13.65 Flußkonzentration durch stationäre Leiter 13.66 Hochfeldimpulse durch Z-Pinch-Kompression 13.67 Flußkonzentration durch Implosion

13.7 Magnetische Wechselfelder 13.71 Zeitlich linear veränderliches Feld 13.72 Periodische Magnetfelder 13.73 Örtlich veränderliches Magnetfeld

24

825 827 828 , . 829 829

830 830 833 835 838 839 840 843

843 844 846 850 851 852 855 860

862 863 864 866 867 869

870 870 871 871

872 872 876 881 882 883 884 885

886 886 886 886

INHALTSVEBZEICHMS

13.8 Zeitlich konstante und homogene Magnetfelder. 13.81 Zylinderspulen mit Endkorrektur 13.82 Helmholtz-Spulenpaare 13.83 Kugel- oder Ellipsoidspulen • 13.84 Kompensation von Eeldgradienten durch Permanentmagnete 13.86 Korrektur von Feldern zwischen Polschuhen 13.86 Homogenitätsmessung 13.87 Stromstabilisator

13.9 Sehr kleine Magnetfelder; magnetische Abschirmung 13.91 Kompensation des magnetischen Erdfelds 13.92 Magnetische Abschirmung durch Supraleiter 13.93 Erzeugung sehr kleiner Magnetfelder durch Supraleiter 13.94 Abschirmung durch weichmagnetische Materialien 13.96 Kompensation von Brummfeldern

887 887 889 890 . . . 892 892 892 893

895 896 896 896 897 899

§ 14 INDUKTIVITÄTSMESSUNG

900

14.1 Grundbegriffe, Einheiten

900

14.11 Begriff des Induktionskoeffizienten 14.12 Energie des magnetischen Feldes 14.13 Zeitlich veränderliches Feld 14.14 Einheiten

14.2 Berechnung von Induktivitäten 14.21 Formeln für die Selbstinduktivität 14.22 Formeln für die Berechnung der Gegeninduktivität 14.23 Impedanz einer Selbstinduktivität

14.3 Aufbau und Eigenschaften 14.31 Induktivitätsnonnale 14.32 Gebrauchsnormale fester Induktivität 14.33 Spulensätze 14.34 Variatoren, Variometer 14.35 Drosselspule

14.4 Absolute Indubtivitätsmessung 14.41 Messung des Schemwiderstandes 14.42 Messung mit Spannungsteiler 14.43 Messung mit ballistischem Galvanometer 14.44 Messung in der Wechselstrombrücke 14.46 Doppelspannungsteiler

^>C14.5 Induktivitätsmessung durch Vergleich 14.61 Maxwell-Brücke 14.62 Resonanzbrücke 14.63 Bifilarbrücke 14.54 Differentialbrücke

^C 14.6 Messung kleiner und großer Induktivitäten

900 901 902 903

903 904 907 907

909 909 910 912 912 913

913 913 913 914 914 915

916 916 916 918 919

919 25

INHALTSVEKZEICHNIS

14.7 Spezielle Messungen bei Hochfrequenz

921

14.71 Differentialtransformator 14.72 Messungen im Schwingungskreis 14.73 Messungen mit dem Dynatron

921 921 922

14.8 Messung von Gegeninduktivitäten 14.81 Unmittelbare Methoden 14.82 Vergleich mit Kapazitäten 14.83 Vergleich mit Selbstinduktion 14.84 Vergleich zweier Gegeninduktivitäten 14.85 Elektronische Gegeninduktivitätsbrücke 14.86 Messung der Streuinduktivität

923 923 924 926 927 929 930

§ 15 ELEKTRISCHE MASCHINEN

931

15.1 Elektromotoren

931

15.11 Allgemeines 15.12 Gleichstrommaschine 15.13 Bauarten und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 15.14 Kollektorlose Gleichstrommotoren 15.16 Einphasenwechselstrommotor 15.16 Wechselstromsynchronmotor 15.17 Wechselstrominduktionsmotor 15.18 Spezielle Motorbauarten

15.2 Generatoren, Umformer 15.21 Gleichstromgenerator 15.22 Unipolarmaschine 15.23 Synchrongenerator 15.24 Asynchrongenerator 15.25 Einankerumformer 15.26 Leonard-Schaltung 15.27 Maschinenverstärker

931 932 934 936 936 937 938 940

941 941 942 943 944 945 945 946

15.3 Elektronische Motorsteuerung

946

15.4 Transformator

948

15.41 Theorie 15.42 Ersatzbilder des Transformators 15.43 Bauformen 16.44 Meßwandler

949 951 953 954

15.5 Leistungsgleichrichter

954

15.6 Wechsel- und Umrichter

955

15.7 Leistungsverstärker

956

16.71 Magnetische Verstärker (Transduktor) 16.72 Dielektrische Verstärker

15.8 Spezielle Schaltgeräte 26

966 959

959

INHALTSVERZEICHNIS

§16 SPEZIELLE STROMQUELLEN 16.1 Galvanische Stromquellen 16.11 Allgemeines 16.12 Primärelemente 16.13 Bleiakkumulator 16.14 Alkalische Akkumulatoren

16.2 Geregelte Spannungsquellen 16.21 Allgemeines 16.22 Glimmstabilisator 16.23 Magnetische Spannungskonstanthalter 16.24 Anwendung spannungsabhängiger Widerstände 16.25 Konstanthaltung mit Zener-Dioden 16.26 Elektronisch stabilisierte Gleichspannungsquellen 16.27 Stabilisierte Hochspannungsquellen

16.3 Stabilisierte Stromquellen 16.31 Stromabhängige Widerstände 16.32 Stabilisierter Gleichstromgenerator 16.33 Elektronische Stromstabilisierung 16.34 Konstantstromquelle für Eichzwecke 16.35 Spezielle Konstantstromquellen

16.4 Hochspannungserzeuger 16.41 Hochspannungstransformator mit Gleichrichter 16.42 Kaskadengenerator 16.43 HP-Kaskadengenerator 16.44 Tesla-Transformator 16.45 Hochspannungsimpulserzeugung 16.46 Bandgenerator 16.47 Generatoren mit flüssigen oder gasförmigen Ladungstransportmitteln 16.48 Elektrostatische Scheibengeneratoren 16.49 Umschaltung von Kapazitäten

961 961 961 962 963 963

964 964 966 968 969 969 970 972

973 973 974 974 976 977

977 977 977 979 979 980 981 983 984 984

16.5 Thermoelektrische Stromerzeugung

984

16.6 SolarzeUen

987

16.7 Thermionik-Konverter

988

16.8 Brennstoff-Elemente

988

16.9 Elebtrete

991

§ 17 SPEZIELLE MESSMETHODEN DER ELEKTROCHEMIE . . . 992 17.1 Allgemeines über Elektrolyte )СП.2 Meßverfahren für die Leitfähigkeit

992 994

17.21 Grundsätzliches 17.22 Meßzellen

994 995

27

< INHALTSVERZEICHNIS

17.23 Gleichstrommessungen 17.24 Messungen bei hohen Feldstärken 17.25 Wechselstrommessungen 17.26 Barretter-Methode 17.27 Höchstfrequenzmethoden 17.28 Zahlenwerte

996 998 998 999 1000 1000

17.3 Bestimmung der Konzentration

1000

17.4 Messung der Beweglichkeit

1001

17.41 Grundsätzliches 17.42 Überführungsmessung nach dem Drei-Kammer-Verfahren 17.43 Methode der wandernden Grenzfläche 17.44 Bestimmung der Beweglichkeit 17.45 Isotopentrennung

17.5 Spannungen an Elebtrolytlösungen 17.51 Allgemeines 17.52 Meßelektroden 17.53 #H-Messung 17.54 Kontakt- und Voltaspannungsmessung

17.6 Elektrokinetische Effekte 17.61 Elektrophorese 17.62 Elektroosmose 17.63 Polarografie . , 17.64 Elektrolytisches Polieren

28

1001 1002 1002 1004 1004

1005 1005 1006 1008 1009

1010 1010 1011 1011 1012

Literaturhinweise

1014

Sachverzeichnis

1062