7 1.1 Elektrizität in Natur und Technik / Electricity in nature and technics 1 Elektrizität in Natur und Technik Natürliche elektrische Erscheinungen wie z.B. Blitze (Abb. 2) üben auf Menschen immer noch eine faszinie- rende Wirkung aus. Blitze sind aber auch aufgrund ihrer zerstörenden Wirkung bedrohlich. Wir sprechen dabei von elektrischen Entladungen. Künstliche elektrische Erscheinungen sind seit langem bekannt. Bereits die Griechen des Altertums wussten, dass durch einen mit einem Tuch geriebenen Bernstein leichte Stoffe, wie z.B. Haare, Federn oder Fasern angezogen werden können. Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts erstreck- ten sich diese Versuche mit der Reibungselektrizi- tät allerdings nur auf schaustellerische Darstellungen (Abb. 1). Glühlampe, aber erst im Jahre 1882 gelang die serien- mäßige Herstellung. Damit war ein erster Schritt getan, die Elektrizität für den Menschen nutzbar zu machen. Die Erzeugung von Elektrizität durch Magnetismus war eine weitere wichtige Entwicklung hin zur technischen Nutzung natürlicher Phänomene. Den ersten Generator erfand Werner von Siemens (deutscher Erfinder und Ingenieur, 1816–1892) im Jahre 1866. Damit wurde es möglich, Elektrizität einfach und wirtschaftlich zu erzeugen. Zahlreiche Wissenschaftler haben bis heute die Kennt- nisse über die Elektrizität weiter entwickelt, so dass diese Energieform zu dem alles entscheidenden Faktor unseres von Technik geprägten Lebens geworden ist. In Elektrizitätswerken entstehen durch Umwandlungen große Energiemengen, die über Hochspannungslei- tungen verteilt werden (Abb. 3). Diese Energie wird genutzt, um Kräfte, Licht und Wärme zu erzeugen. Sie wird aber auch eingesetzt, um mit ihr über weite Strecken zu kommunizieren und Informationen zu ver- arbeiten. Die Größenordnung der dabei eingesetzten elektrischen Energie erstreckt sich beispielsweise über einen Zahlenbereich von 10 6 Watt (Kraftwerk) bis 10 –6 Watt (Mikrocomputer). 2: Elektrische Erscheinungen 3: Elektrische Schaltanlage zur Energieversorgung Daneben kam es aber auch zu ernsthaften Untersu- chungen elektrischer Phänomene, die der Mensch zwar nicht direkt wahrnehmen, aber seine Auswir- kungen erkennen konnte. Ende des 18. Jahrhunderts entdeckte z.B. Alessandro Volta (italienischer Phy- siker, 1745–1827), dass man elektrische Vorgänge nicht nur durch Reibungselektrizität hervorrufen kann. Es war die „Geburtsstunde“ der heute weit verbreite- ten elektrochemischen Elektrizitätsquellen, ohne die unsere mobilen Geräte wie Handy oder Laptop nicht einsatzfähig wären. Ihm zu Ehren wird die Einheit der elektrischen Spannung in Volt angegeben. Die umfangreichen Versuche von Hans Christian Oersted (dänischer Physiker 1777–1851) und Aloisio Luigi Galvani (italienischer Arzt, 1737–1798) gingen über schaustellerische Darbietungen weit hinaus und führten unter Anderem zur Entwicklung erster tech- nischer Spannungsquellen. Die im 19. Jahrhundert betriebene Grundlagenfor- schung führte 1854 zur Erfindung der Glühlampe durch Heinrich Goebel (deutscher Mechaniker und Optiker, 1818–1893). Unabhängig davon erfand auch Thomas Alva Edison 1879 (amerikan. Erfinder, 1847-1931) die 1: Reibungselektrizität für die „feine Gesellschaft“
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71.1 Elektrizität in Natur und Technik / Electricity in nature and technics
1 Elektrizität in Natur und TechnikNatürliche elektrische Erscheinungen wie z.B. Blitze(Abb. 2) üben auf Menschen immer noch eine faszinie-rende Wirkung aus. Blitze sind aber auch aufgrund ihrerzerstörenden Wirkung bedrohlich. Wir sprechen dabeivon elektrischen Entladungen. Künstliche elektrischeErscheinungen sind seit langem bekannt. Bereits dieGriechen des Altertums wussten, dass durch einenmit einem Tuch geriebenen Bernstein leichte Stoffe,wie z.B. Haare, Federn oder Fasern angezogen werdenkönnen. Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts erstreck-ten sich diese Versuche mit der Reibungselektrizi-tät allerdings nur auf schaustellerische Darstellungen(Abb.1).
Glühlampe, aber erst im Jahre 1882 gelang die serien-mäßige Herstellung. Damit war ein erster Schritt getan,die Elektrizität für den Menschen nutzbar zu machen.
Die Erzeugung von Elektrizität durch Magnetismus wareine weitere wichtige Entwicklung hin zur technischenNutzung natürlicher Phänomene. Den ersten Generatorerfand Werner von Siemens (deutscher Erfinder undIngenieur, 1816–1892) im Jahre 1866. Damit wurdees möglich, Elektrizität einfach und wirtschaftlich zuerzeugen.
Zahlreiche Wissenschaftler haben bis heute die Kennt-nisse über die Elektrizität weiter entwickelt, so dassdiese Energieform zu dem alles entscheidenden Faktorunseres von Technik geprägten Lebens geworden ist.
In Elektrizitätswerken entstehen durch Umwandlungengroße Energiemengen, die über Hochspannungslei-tungen verteilt werden (Abb. 3). Diese Energie wirdgenutzt, um Kräfte, Licht und Wärme zu erzeugen.Sie wird aber auch eingesetzt, um mit ihr über weiteStrecken zu kommunizieren und Informationen zu ver-arbeiten. Die Größenordnung der dabei eingesetztenelektrischen Energie erstreckt sich beispielsweise übereinen Zahlenbereich von 106 Watt (Kraftwerk) bis 10–6
Watt (Mikrocomputer).
2: Elektrische Erscheinungen
3: Elektrische Schaltanlage zur Energieversorgung
Daneben kam es aber auch zu ernsthaften Untersu-chungen elektrischer Phänomene, die der Menschzwar nicht direkt wahrnehmen, aber seine Auswir-kungen erkennen konnte. Ende des 18. Jahrhundertsentdeckte z.B. Alessandro Volta (italienischer Phy-siker, 1745 –1827), dass man elektrische Vorgängenicht nur durch Reibungselektrizität hervorrufen kann.Es war die „Geburtsstunde“ der heute weit verbreite-ten elektrochemischen Elektrizitätsquellen, ohne dieunsere mobilen Geräte wie Handy oder Laptop nichteinsatzfähig wären. Ihm zu Ehren wird die Einheit derelektrischen Spannung in Volt angegeben.
Die umfangreichen Versuche von Hans ChristianOersted (dänischer Physiker 1777–1851) und AloisioLuigi Galvani (italienischer Arzt, 1737–1798) gingenüber schaustellerische Darbietungen weit hinaus undführten unter Anderem zur Entwicklung erster tech-nischer Spannungsquellen.
Die im 19. Jahrhundert betriebene Grundlagenfor-schung führte 1854 zur Erfindung der Glühlampe durchHeinrich Goebel (deutscher Mechaniker und Optiker,1818–1893). Unabhängig davon erfand auch ThomasAlva Edison 1879 (amerikan. Erfinder, 1847-1931) die
1: Reibungselektrizität für die „feine Gesellschaft“
8 2.1 Grundgrößen / Basic quantities
2 Größen der Elektrotechnik2.1 Grundgrößen
In der Elektrotechnik werden physikalische Größen[physical quantities] zur Beschreibung von Objekten,Zuständen und Vorgängen verwendet. Beispiele hierfürsind die Länge, Temperatur oder elektrische Span-nung. Physikalische Größen sind über Messverfahreneindeutig definiert und werden durch Formelzeichen inkursiver (schräger) Schrift abgekürzt. Wenn man denWert einer Größe angeben will, muss man den Zahlen-wert [numerical value] und die dazugehörige Einheit[unit] nennen, in der diese Größe gemessen wird. DieZeichen für den Zahlenwert und die dazugehörige Ein-heit werden im gedruckten Text in senkrechter Schriftgesetzt. Der Zusammenhang kann dann in Form einerGrößengleichung [quantity equation] ausgedrücktwerden.
Beispiel: LängeGrößenwert = Zahlenwert · Einheit
l = { l } · [ l ]l = 3 · m
Länge = Zahlenwert · Einheitder Länge der Länge
Das physikalisch-technische Größensystem basiertauf wenigen voneinander unabhängigen Größen, denBasisgrößen [basic quantities]. International sind ausden verschiedenen Bereichen der Physik sieben Basis-größen mit ihren entsprechenden Einheiten festgelegtworden (Abb. 1). Sie sind die Grundlage für das SI-Ein-heitensystem (Système International d’Unités, Inter-nationales Einheitensystem).
Für Deutschland ist das SI-Einheitensystem seit dem2. Juli 1969 durch das „Gesetz über Einheiten im Mess-wesen“ verbindlich.
Die physikalischen Größen lassen sich in zwei Gruppeneinteilen:
• Größen ohne Richtungssinn (Skalare)Zur eindeutigen Festlegung sind erforderlich:- Zahlenwert- EinheitBeispiele: Masse m (Abb. 2), Zeit t, Arbeit W
1: Basisgrößen und Einheiten
• Größen mit Richtungssinn (Vektor)Zur eindeutigen Festlegung sind erforderlich (Abb. 3):- Zahlenwert- Einheit- Richtung im Raum oder in der Ebene- Richtungssinn (Drehsinn, wenn vorhanden)
Beispiele:Kraft F, Geschwindigkeit v, elektrische Feldstärke E
Die in der Physik und Technik vorkommenden Zah-lenwerte können groß, aber auch sehr klein sein. AusGründen der Vereinfachung verwendet man Vorsätze[prefixes] 1 (Abb. 4) mit entsprechenden Vorsatz-zeichen [prefix symbols] 2, die einem bestimmtenFaktor [factor] entsprechen 3.
3: Kraft (Vektor)
4: Vorsätze, Vorsatzzeichen und Faktoren
n Eine physikalische Größe besteht aus demZahlenwert und der dazugehörigen Einheit.
n Physikalische Größen werden durch Größen-gleichungen dargestellt.
n Im Internationalen Einheitensystem sind alsBasis sieben Größen und Einheiten festgelegt.
n Größen können gerichtet (Vektor) oder unge-richtet sein (Skalar).
2: Massennormal (Skalar)
Größe undFormelzeichen
Einheitenname undEinheitenzeichen
Länge l Meter, 1 mMasse m Kilogramm, 1 kgZeit t Sekunde, 1 sTemperatur T Kelvin, 1 KElektrische Strom-stärke I Ampere, 1 A
Stoffmenge n Mol, 1 molLichtstärke Iv Candela, 1 cd
Pico p 10-12 Deka da 101
Nano n 10-9 Hekto h 102
Mikro µ 10-6 Kilo k 103
Milli m 10-3 Mega M 106
Zenti c 10-2 Giga G 109
Dezi d 10-1 Tera T 1012
1 2 3 1 2 3
Angriffspunkt
Richtung
F
α
y
x
Betrag
Massennormal
Massestücke füreine Waage
10 g 20 g
OHAUS
OHAUS
92.2 Elektrischer Strom / Electric current
Der elektrische Strom [electric current] – verkürzt oftnur als Strom bezeichnet – wird umgangssprachlichverschiedenartig benutzt. Beispiele:– Strom wird verbraucht.– Strom muss gespart werden.– Strom wird „verkauft oder gehandelt“ (Börse).
Diese verschiedenen Aussagen über den elektrischenStrom sind aus technischer Sicht wenig präzise undunscharf. Deshalb soll geklärt werden:
Was versteht man in der Elektrotechnik unter demelektrischen Strom?
Wenn wir ein elektrisches Gerät oder eine Anlage ein-schalten, sagen wir häufig: „es fließt Strom“. Voraus-setzung hierfür waren drei Bedingungen (Abb. 6):– Eine Quelle elektrischer Energie ist vorhanden
(Batterie, Netzanschluss).– Ein Gerät oder eine Anlage (häufig als „Verbraucher“
bezeichnet) ist über eine Leitung und einen Schaltermit der Quelle verbunden.
– Der Schalter ist geschlossen.
Es handelt sich hierbei um eine elektrotechnischeSchaltung, bei der eine Lampe eingeschaltet wird(Schaltplan [circuit diagram], Abb. 6). Technisch be-trachtet wird hierbei die in der Energiequelle vorhan-dene elektrische Energie benutzt, um in der LampeLicht und Wärme zu erzeugen. Es findet dabei eineEnergieumwandlung statt, wobei der Transport derEnergie über die Leitungen erfolgt. Wir bezeichnendiese Schaltung als Stromkreis [electric circuit].
Für die Darstellung in Schaltplänen werden Schaltzei-chen [graphical symbols] verwendet. Sie sind genormt(DIN EN 60617) und geben nicht das Aussehen derGegenstände wieder, sondern verdeutlichen nur dieFunktion. Eine zusätzliche Kennzeichnung kann durchBuchstaben erfolgen (DIN EN 61346).
2.2 Elektrischer Strom
Der Begriff „Strom“ wird in der Umgangssprache unter-schiedlich benutzt. Wir sprechen z. B. von einem Fahr-zeugstrom auf der Autobahn, von einem Menschen-(Abb. 5) oder Flüssigkeitsstrom. Diesen Beispielen istgemeinsam, dass immer eine Bewegung von Körpernbzw. Teilchen in eine bestimmte Richtung stattfindet.
5: Menschenstrom
Noch wurde nicht geklärt, was sich beim Energietrans-port im Leiter abspielt. Dieser Frage wollen wir jetztnachgehen. Da mit menschlichen Sinnen die Vorgängenicht wahrnehmbar sind, hat man in der Physik undTechnik Modelle [models] entwickelt, mit denen mandie Vorgänge anschaulich beschreiben kann. Eine ver-einfachte Modellvorstellung ist in Abb. 7 zu sehen.
Als Energiequelle ist eine elektrochemische Quelle mitzwei Polen vorhanden, die durch Minus- und Pluszei-chen gekennzeichnet sind. Durch einen chemischenProzess im Innern der Quelle werden die ursprünglichneutralen Substanzen auf atomarer Ebene getrennt. Esentsteht am Minuspol ein Überschuss von kleinstenund beweglichen Teilchen. Sie werden als Elektronen[electrons] bezeichnet. Diese können sich im metal-lischen Leiter ausbreiten. Da der Stromkreis geschlos-sen ist, gelangen sie über die Lampe wieder zurückzum Pluspol, an dem Elektronenmangel herrscht.
6: Elektrischer Stromkreis
n Ein elektrischer Stromkreis besteht aus einerelektrischen Energiequelle, Verbindungslei-tungen und einem Objekt, Gerät oder einerAnlage, in der die Umwandlung der elektri-schen Energie stattfindet.
n Für die Darstellung in Schaltplänen werdenSchaltzeichen verwendet, die durch Kennbuch-staben ergänzt werden können.
n Ein elektrischer Strom, der aus einer elektro-chemischen Energiequelle durch einen metal-lischen Leiter fließt, ist modellhaft eine Bewe-gung von Elektronen vom Minuspol zum Pluspolder Quelle.
7: Stromfluss als Elektronenbewegung
EnergietransportEnergie-quelle
Energie-wandler
G
S
E
Bewegungder Elektronen
Vergrößerung
Elektronenstrom
S
E–
+
10 2.3 Elektrische Ladung / Electric charge
Wenn ein Atom gleich viele positive und negative Teil-chen besitzt, wirkt es nach außen hin neutral. Es han-delt sich um den Normalzustand der Materie. Durchmechanische Einwirkungen (z. B. Reibung) lässt sichdieses Gleichgewicht jedoch stören. Wenn man wie inAbb. 2 einen Kunststoffstab 1 mit einem Wolltuch 2
reibt, wandern vom Tuch die beweglichen Elektronenzum Kunststoffstab (Reibungselektrizität). Dies istkein beständiger Zustand. Nähern sich beide wieder,kommt es zu einer Anziehung und bei Berührung zueinem Ausgleich.
Diese Anziehungskräfte wirken auch im Atom zwi-schen den negativen Elektronen und den positivenProtonen. Auf diese Weise werden die Elektronen aufihren Bahnen gehalten. Eine Abstoßung ist dagegenbei gleichartigen Ladungen feststellbar (Kraftpfeile undFormelzeichen F in Abb. 3)
2.3 Elektrische Ladung
Es soll nun als Nächstes geklärt werden, wo die Elektro-nen herkommen. Eine Erklärung liefert das BohrscheAtommodell [atomic model] (Niels Bohr, dänischerPhysiker 1885 -1962). Danach bestehen Atome auseinem Kern und einer Hülle (Abb. 1). Im Kern sind Pro-tonen [protons] und Neutronen [neutrons] vorhanden.Um den Kern bewegen sich die Elektronen in Schalenauf unterschiedlichen Bahnen. Man hat festgestellt,dass Protonen und Elektronen unterschiedliche elek-trische Eigenschaften besitzen. Protonen sind positivund Elektronen sind negativ geladen. Die unterschied-lichen Eigenschaften der Stoffe hängen allein von derAnzahl der positiven und negativen Teilchen ab. Sobesitzt z. B. das Gas Sauerstoff 8 Protonen und 8 Elek-tronen, das Metall Kupfer dagegen 29 Protonen und 29Elektronen.
1: Bohrsches Atommodell
2: Ladungstrennung durch Reibungselektrizität
n Bei einem positiv geladenen Körper sind mehrpositive als negative Ladungen vorhanden(Elektronenmangel).
n Bei einem negativ geladenen Körper sind mehrnegative als positive Ladungen vorhanden(Elektronenüberschuss).
n Ein neutraler Körper hat gleich viele positiveund negative Ladungen.
n Ungleichartige Ladungen ziehen sich an. Gleich-artige Ladungen stoßen sich ab.
n Ungleichartige Ladungen sind bestrebt, sich aus-zugleichen.
n Beim elektrischen Stromfluss kommt es zueinem Ladungsausgleich.
3: Anziehung und Abstoßung
Die Ladung [charge] ist eine elektrische Eigenschaftder atomaren Bausteine. Man kennzeichnet sie durchdie Größe Coulomb (Charles Augustin de Coulomb,franz. Physiker, 1736 –1806). Man hat festgestellt,dass die Ladung eines Elektrons bzw. Protons sehrklein ist. Sie beträgt e = 1,6 · 10 -19 C.
Die Eigenschaft, dass positive und negative Ladungensich anziehen und damit ausgleichen wollen, nutzt manbei elektrischen Elektrizitätsquellen aus. Dort werdenauf chemischem Wege oder durch magnetische Ein-wirkungen Ladungen voneinander getrennt (Abb. 4).Ermöglicht man jetzt durch einen elektrischen Strom-kreis wieder einen Ausgleich, dann fließt ein elek-trischer Strom vom Elektronenüberschuss [excessof electrons] zum Elektronenmangel [shortage ofelectrons].
4: Ladungsausgleich
LadungFormelzeichen EinheitQ C (Coulomb)
Elektron
Kern
Kunststoffstab
Wolltuch
Elektronenüberschuss
Elektronenübergang
Elektronenmangel
– – – – – – – –
++
+ + +
+ ++ +
1
2
Abstoßung
Anziehung
+ +F F – –F
+F – F
F
F: Kraft
Ladungs-ausgleich
+ + + + +
– – – – –
Ladungs-trennung
Elektronenüberschuss
Elektronenmangel
Glühlampe
–
+
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Tastenkopf
leitfähige Fläche (Metall)Isolierfolie
Leiterbahn-Flächen
Isolierplatte(gedr. Schaltung)
A U F G A B E
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
10.5 Peripheriegeräte
10.5.1 Eingabegeräte
Daten können in verschiedenster Form vorliegen undbenötigen deshalb entsprechend unterschiedliche Ein-gabegeräte (Abb. 4). Einzelne Befehle sowie einfacheDaten (z. B. Buchstaben, Symbole) lassen sich z. B. mitder Tastatur und der Maus eingeben. Umfangreichereund gespeichert vorliegende Daten dagegen (Texte,Bilder), sind oft in magnetischer oder optischer Formauf Scheiben oder Platten gespeichert und benötigenfür die Eingabe entsprechende Lesegeräte. Aber auchakustische und optische Signale können direkt einge-geben und nach der Digitalisierung gespeichert undweiterverarbeitet werden.
4: Eingabegeräte
Tastatur
Die Tastatur [keyboard] ist eine Anordnung von Tasten,die weitgehend von der Schreibmaschine übernommenwurde. Die Anordnung der Tasten ist länderspezifisch:
Der Anschluss der Tastatur erfolgt über Kabel (PS/2;DIN; USB) oder kabellos (Infrarot/Funk).
5: Aufteilung des Tastaturfeldes in Blöcke
Beim Betätigen einer Taste [key] wird der Tastenkopfauf die darunter befindliche Isolierfolie gedrückt (Abb.6). Durch eine Metallfläche an der Unterseite des Tas-tenkopfes wird die der Taste zugeordnete Kapazitätverändert. Es entsteht ein Signal. Damit die CPU nichtpermanent mit der Beobachtung des Tastaturstatusbeschäftigt ist, wird mit einem Unterbrechungssignal[Interrupt] gearbeitet. Jedes Betätigen der Tastatursendet neben dem Tastaturcode diesen Interrupt. Eingerade abzuarbeitendes Programm wird unterbrochen,der tatsächliche Status der Tastatur wird abgefragt undausgewertet und danach das laufende Programm fort-gesetzt. Für die Tastaturansteuerung und Auswertungist ein eigener Mikroprozessor zuständig.
Die Unterscheidung der Tasten erfolgt über die Ansteu-erung der Kreuzungspunkte eines Leitungsgitternetzes(Matrix) aus Zeilen und Spalten, die durch Diodenmiteinander verbunden sind. Die Auslösung erzeugtjeweils eine eindeutige Signalfolge.
6: Signalerzeugung durch Tasten
1. Geben Sie an, welche Eingabegeräte in Abb. 4dargestellt sind.
n Die Tastatur dient der Eingabe von alpha-nummerischen Zeichen und Steuerbefehlen.
n Bei Standardtastaturen erfolgt die Auslösungder Signale kapazitiv.
Q W E R T Z Q W E R T Ydeutschsprachig andere Länder
Das Grafiktablett [graphics tablet] besitzt ebenfallsberührungsempfindliche Flächen, die allerdings nichtdirekt mit dem Finger, sondern mit einem besonderenStift berührt werden müssen (Abb. 4). Die Flächeneignen sich auch zur Positionierung des Bildschirm-cursors, haben aber ihre besondere Bedeutung in derÜbernahme der Stiftbewegung als Handzeichnung ineiner entsprechenden Grafiksoftware. In der Regelwird die Änderung eines elektromagnetischen Feldesermittelt, die durch das „Zeichnen“ bei der Bewegungdes stromführenden Stiftes entsteht. Dieses Signalwird an den Computer über eine serielle Schnittstelleübertragen.
Maus
Die Maus [mouse] dient der schnellen Bewegung desBildschirmzeigers [cursor] und verfügt über zusätzlicheTasten und ggf. ein Scrollrad. Sie wird über eine seri-elle Schnittstelle angeschlossen (COM; PS/2; USB).Die Maus wird analog zur gewünschten Steuerung desCursors auf einer Arbeitsfläche bewegt. Diese zwei-dimensionalen Bewegungen werden dann digital um-gesetzt. Die Umsetzung erfolgt bei der optomecha-nischen Maus über eine Kugel, die zwei um 90°gegeneinander versetzte Walzen antreibt. Die eineWalze ist für die x-Richtung, die andere für die y-Rich-tung zuständig. Die Walzenbewegungen werden überSegmentscheiben (Lochscheiben) durch eine Licht-schranke registriert und einem Controller zugeführt.Dieser Chip ist auch für die serielle Übertragung derDaten an den Computer zuständig.Eine optische Maus (Abb.1) ist ein Zeigegerät, dasBewegung optisch erfasst. In ihr ist ein Sensorchip ein-gebaut, der ständig Bilder mit einer Bildwiederholratevon mehr als 1500 Bildern pro Sekunde aufnimmt. DieMausunterlage wird von einer Leuchtdiode beleuch-tet. Das von der Unterlage reflektierte Licht wird miteiner Linse gebündelt und gelangt in den Sensorchip.Das aufgenommene Bild wird dann in Bewegungsdatenumgerechnet, die den Mauszeiger auf der Bedienober-fläche bewegen lassen.
1. Eine mechanische Maus weist nach längeremGebrauch die Eigenart auf, dass der Bildschirm-cursor „hakt und ruckelt“.a) Wie lässt sich das Verhalten erklären?b) Wie lässt sich das Verhalten beseitigen?
1: Optische Maus
Touchpad
Da Notebooks sehr häufig unter Bedingungen verwen-det werden, bei denen eine ebene Arbeitsfläche nichtzur Verfügung steht, besitzen sie implementierte Ge-räte zur schnellen Steuerung des Cursors. Gegenüberdem Trackball und Gummistick hat sich das Touchpad[touchpad] etabliert (Abb. 2). Es besteht aus einer be-rührungsempfindlichen, rechteckigen Fläche, auf dermit dem Finger die Bewegung des Cursors vollzogenwird.
Touchscreen
Bei diesem Eingabegerät [input device] (Abb. 3) besitztdas Sichtgerät (z.B. der Monitor) eine berührungsemp-findliche Oberfläche. Über das Matrixfeld dieser Ober-fläche werden die zugeordneten Funktionen durchBerühren aktiviert. Ein Touchscreen [touchscreen] eig-net sich nur bei klar zugewiesener Ausgabedarstellungund erfordert eine programmtechnische Zuordnungzwischen Matrixfeld und Ausgabefeld (z.B. Fahrkarten-automat, Gebäudeführer).
2: Touchpad 3: Touchscreen
n Mit der Maus werden zweidimensionale Bewe-gungen der Hand in zweidimensionale Positi-onen auf dem Bildschirm übertragen.
4: Grafiktablett
Eine Lasermaus arbeitet auch mit Licht, löst aber dieStrukturen der Mausunterlage genauer auf. Deshalbkann die Lasermaus noch bei Oberflächen verwendetwerden, die für die LED-Mäuse ungeeignet sind, wiez.B. glänzende Oberflächen.Die Bluetrack-Technologie beleuchtet den Unter-grund mit blauem Licht und hat einen hochauflösen-den Sensor. Mäuse mit dieser Technik können auchauf Teppich oder Holz benutzt werden.
Leuchtdiode Sensorchip linke und rechte TasteScrollrad
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Hand-scanner
Einzug-scanner
Flachbett-scanner
Die Vorlagewird manuellabgefahren. Esentstehen Strei-fen von einigencm Breite
Problem:PassgenauesZusammen-fügen der Strei-fen (Software).
Die Vorlagewird an denfest platziertenSensorenbewegt.
Problem:Die Qualitäthängt u. a. vonder genauenFührung derSensoren ab.
Vorlage
Lichtquelle
Spiegel
Spiegel
Linse
lichtempfindliche CCD-Elemente
RGB-beschichteter CCD-Chip
zum AD-Umsetzer undzur Ausgabeverarbeitung
3
2
1
A U F G A B E
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
Wenn eine farbige Vorlage nach dem ersten Verfahrengescannt werden soll, wären drei Durchläufe erforder-lich. Verwendet man allerdings drei Reihen von Zeilen-sensoren und Farbfilter, kommt man mit einem Durch-lauf aus.
Die optische Auflösung der Vorlage in einzelne Pixelhängt von der Anzahl der CCD-Elemente ab. Als Ein-heiten werden ppi und dpi verwendet:• ppi: pixel per inch (Pixel pro Zoll)• dpi: dots per inch (Punkte pro Zoll)
Eine Abtastrate von 600 ppi bedeutet dann z. B., dassfür eine horizontale Längenausdehnung von 1 Zoll(2,54 cm) 600 Pixel erfasst werden. Jedes Pixel besitztsomit eine Breite von 0,04 mm (2,54 cm/600).
Zur Kennzeichnung der optischen Auflösung wirdanstelle von ppi oft die Einheit dpi synonym verwen-det. Dies ist eigentlich nicht korrekt, da mit dpi dieAusgabeauflösung (z. B. beim Drucker) gekennzeichnetwird.
Scanner
Scanner [scanner] wandeln eine Text- oder Bildvor-lage zeilenweise in eine Pixel-Grafik um. Die für jedesPixel (Bildpunkt) vorliegenden digitalen Daten könnengespeichert und bearbeitet werden. Grundsätzlich las-sen sich Scanner in drei Gruppen einteilen (Abb. 5).
Flachbettscanner [flatbed scanner] sind am häufigs-ten anzutreffen. Daneben gibt es Scanner für spezi-elle Aufgaben, z. B. Folien- und Diascanner. Für denprofessionellen Bereich werden die sehr zuverlässigenund qualitativ hochwertigen Trommelscanner [drumscanner] eingesetzt. Die Vorlage wird innerhalb einerrotierenden Trommel von einer Lichtquelle abgetastet.Anstelle von Halbleitersensoren werden Fotomultiplier(Sekundärelektronenvervielfacher) eingesetzt.
5: Scanner und Scanverfahren
In Abb. 6 ist vereinfacht die zeilenweise Abtastung beieinem Flachbettscanner dargestellt. Die Vorlage wirdvon einer Lichtquelle 1 in voller Breite beleuchtet. Dasreflektierte Licht wird über einen Spiegel und eine Ver-kleinerungsoptik 2 auf zeilenmäßig angeordnete undlichtempfindliche Halbleiterelemente 3 (CCD [ChargeCoupled Devices] gelenkt. Die Qualität des Scannnershängt im Wesentlichen von diesen CCD-Elementenab. Sie wandeln die Helligkeitsinformation in unter-schiedlich große elektrische Ladungen um. Mit einerelektronischen Schaltung werden anschließend dieseInformationen gelesen und mit Hilfe eines Analog-Digi-tal-Umsetzers ein Datenstrom erzeugt.
Ein Pixel ist die kleinste Einheit der Bildinformation.Es besitzt vier grundlegende Eigenschaften: Größe(Ausdehnung), Position, Farbe und Helligkeit (Intensi-tät). CCD-Elemente können lediglich die Beleuchtungs-stärke in Ladungsunterschiede umwandeln. Deshalbist eine Aufspaltung des Lichts in Rot-, Grün- und Blau-anteile erforderlich. Zwei Verfahren sind üblich:– Filter vor den Sensoren sorgen dafür, das nur Licht
mit einer bestimmten Farbe auftrifft.– Die Vorlage wird nicht mit weißem, sondern mit far-
bigem Licht beleuchtet.
6: Abtastvorgang beim Flachbettscanner
n Scanner wandeln visuell vorliegende Informati-onen pixelweise in digitale Informationen um.
1. Warum ist es nicht sinnvoll, einen Scanner übereine COM-Schnittstelle anzuschließen?
n Chipbasierte mobile Speicher sind nichtflüchtigeSpeicher, die vorwiegend in Kleingeräten einge-setzt werden.
Zur Kennzeichnung von Scannern wird oft auch dieinterpolierte Auflösung angegeben. Dieser Wert isterheblich höher als der Wert der optischen Auflösung.Mit Hilfe von Software werden zwischen den physika-lisch erfassten Pixeln weitere Pixel berechnet. Dabeiwird davon ausgegangen, dass die Übergänge zwischenden Pixeln linear verlaufen. Wenn jedoch, wie in Abb. 1dargestellt, die Übergänge sprungartig verlaufen, istdas Ergebnis ein unscharfer Übergang.
1: Fehler durch interpolierte Pixel
Jedes Pixel kann in unterschiedlichen Farbabstufun-gen vorkommen. Dies wird als Farbtiefe [colour depth]bezeichnet und die Zahl verdeutlicht, wie viele unter-schiedliche Farbabstufungen möglich sind.
Beispiele:• Schwarz-Weiß
Codierung mit 1 Bit ⇒ 21 = 2 Stufen• Graustufen
Codierung mit 8 Bit ⇒ 28 = 256 Stufen
Für die Primärfarben RGB (Rot, Grün, Blau) ergebensich die in Abb. 2 aufgeführten möglichen Abstufungensowie die theoretisch darstellbaren Farben.
Beispiel:• FarbeWenn ein Scanner über eine Farbtiefe von 24 Bit ver-fügt, wird jede Farbe mit 8 Bit codiert. Daraus ergebensich pro Primärfarbe 256 mögliche Abstufungen undinsgesamt etwa 17 Millionen darstellbare Farben (256x 256 x 256).
Scanner werden als zusätzliche Hardware vomBetriebssystem erkannt und unter Windows im Geräte-Manager aufgeführt. Sie können je nach Ausführungam PC über Schnittstellen (USB, FireWire) oder überseparate Steckplätze angeschlossen werden.
2: Farbtiefe und Anzahl der Farben
n Mit der Farbtiefe wird beim Scanner angegeben,wie viele Farbabstufungen möglich sind.
Chipbasierte und mobile Speicher
Für die Dateneingabe, Datenspeicherung und denDatentransport werden neben den aufgeführtenrotierenden Medien zunehmend Speicher mit kleinenAbmessungen eingesetzt, bei denen keine mechanischbeweglichen Teile vorhanden sind. Sie werden z. B. inDigitalkameras und in MP3-Playern eingesetzt. In Abb.3 sind einige dieser mobilen Speichermedien aufge-führt. Dabei werden unterschieden:– Speicherkarten mit integriertem Controller (z. B.
Die Speicherung wird als Flash-Speicherung (flash:Blitz) [flash storage] bezeichnet. Beim Programmierenwerden die Daten (Bits) in Form von Ladungen (Elektro-nen) auf ein „schwebendes“ Gate [floating Gate] einesFeldeffekttransistors (s. Kap. 9.3.2.2) transportiert.
Diese Halbleiterspeicherung unterscheidet sich wiefolgt von der traditionellen magnetischen Speiche-rung:– Die Bytes können einzeln gelesen und adressiert
werden.– Das Schreiben und Löschen kann nur blockweise
erfolgen.– Ein Überschreiben der Daten ist nicht möglich.
Der Block muss gelöscht und anschließend neugeschrieben werden, Zugriffszeit ca. 100 ns.
3: Mobile Speicher
1. Ermitteln Sie die Bezeichnungen für die inAbb. 3 dargestellten Speichertypen und derenAbmessungen.
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KatodeWehneltzylinder
Heiz-draht Anode
Fokussier-einheit
Vertikal-ablenkung
Horizontal-ablenkung
Horizontal-rücklauf
Raster-zeile
Elektronenstrahl
Vertikal-rücklauf
Leuchtschirm
– Röhrenmonitor– LCD-Monitor– Plasma-Display
Ausgabe für/als
Bilder und Grafiken
– magnetisch– Chipspeicher– Magnetkarte
– optisch– CD, DVD, BD
gespeicherte Daten
– Lautsprecher– Kopfhörer
akustische Signale
– Plotter– Drucker
– Nadeldrucker– Laserdrucker– Tintenstrahldrucker
Druckausgabe
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
Flachbildschirm, LCD-Monitor
Ein LCD-Monitor benötigt im Gegensatz zum Röhrenmo-tor zur Anzeige Fremdlicht. Je nach Aufbau und Funkti-onsprinzip handelt es sich dabei um Umgebungslicht(Reflexionsverfahren), eine Hintergrundbeleuchtung(Durchlichtverfahren) oder um eine Kombination ausbeiden Verfahren (Durchlicht-Reflexionsverfahren).
Jedes Pixel auf dem Bildschirm wird durch eine Zellegebildet, in der sich ein Flüssigkristall [Liquid-Crystal]befindet. Je nach äußerer Einwirkung kann der Kristallwie ein fester Körper oder wie eine Flüssigkeit wirken.
Die LCD-Zellen befinden sich zwischen zwei Glas-platten mit rillenförmigen Oberflächen (Abb. 6), diesenkrecht zueinander angeordnet sind. Zwischen derEingangs- 1 und Ausgangsplatte 2 richten sich dieMolekülstäbchen an der Oberfläche entsprechendder Rillenrichtung aus. Im Flüssigkristall zwischen denGlasplatten passen sie sich dann an und verdrehensich schraubenförmig.
Vor der Eingangs-Glasplatte ist ein optischer Polari-sator angebracht (Polarisationsfilter, Abb. 6 3). SeinePolarisationsrichtung ist so gewählt, dass er das Lichtnur in der Rillenrichtung der Eingangsglasplatte durch-lässt. Am Ausgang ist ein zweiter Polarisator 4 ange-bracht mit einer Polarisationsrichtung, die um 90°
10.5.2 Ausgabegeräte
Die im PC bearbeiteten Daten können je nach Art mitverschiedenen Ausgabegeräten [output devices] wie-dergegeben werden. Die Übersicht in Abb. 4 zeigt Grup-pen von Datenausgabegeräten für den PC.
4: Ausgabegeräte
n Beim Röhrenmonitor treffen im Innern die Elek-tronen auf eine Leuchtschicht. Dadurch entstehtrotes, blaues und grünes Licht.
Die Ausgabe von Bildern und Grafiken erfolgt beim PCmit der Grafikkarte auf dem Bildschirm [screen] einesMonitors. Unterschieden werden dabei Röhrenmoni-tore (CTR [Cathode Ray Tube]) und Flachbildschirme(LCD [Liquid Crystal Display].
Röhrenmonitor
Beim Röhrenmonitor [tube monitor] erfolgt die Bildwie-dergabe mit Hilfe einer Elektronenstrahlröhre (Abb. 5).Aus einer geheizten Katode treten Elektronen aus.Diesewerden durch verschiedene Elektroden fokussiert unddurch die Magnetfelder stromdurchflossener Spulenhorizontal und vertikal abgelenkt. Die Elektronen tref-fen im Inneren der Röhre auf die Leuchtschichten Rot,Blau und Grün. Aus der Bewegungsenergie der Elektro-nen entsteht somit sichtbares Licht.
