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