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Book SynopsisExplore green catalytic reactions with this reference from a renowned leader in the field Green reactions—like photo-, photoelectro-, and electro-catalytic reactions—offer viable technologies to solve difficult problems without significant damage to the environment. In particular, some gas-involved reactions are especially useful in the creation of liquid fuels and cost-effective products. In Photo- and Electro-Catalytic Processes: Water Splitting, N2 Fixing, CO2 Reduction, award-winning researcher Jianmin Ma delivers a comprehensive overview of photo-, electro-, and photoelectron-catalysts in a variety of processes, including O2 reduction, CO2 reduction, N2 reduction, H2 production, water oxidation, oxygen evolution, and hydrogen evolution. The book offers detailed information on the underlying mechanisms, costs, and synthetic methods of catalysts. Filled with authoritative and critical information on green catalytic processes that promise to answer many of our most pressing energy and environmental questions, this book also includes: Thorough introductions to electrocatalytic oxygen reduction and evolution reactions, as well as electrocatalytic hydrogen evolution reactions Comprehensive explorations of electrocatalytic water splitting, CO2 reduction, and N2 reduction Practical discussions of photoelectrocatalytic H2 production, water splitting, and CO2 reduction In-depth examinations of photoelectrochemical oxygen evolution and nitrogen reduction Perfect for catalytic chemists and photochemists, Photo- and Electro-Catalytic Processes: Water Splitting, N2 Fixing, CO2 Reduction also belongs in the libraries of materials scientists and inorganic chemists seeking a one-stop resource on the novel aspects of photo-, electro-, and photoelectro-catalytic reactions.Table of ContentsPreface xiii 1 Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts 1Xinwen Peng and Lei Zhang 1.1 Introduction 1 1.2 Pt-Based ORR Electrocatalysts 2 1.2.1 Facet-Controlled Catalysts 2 1.2.2 Multimetallic Nanocrystals 3 1.2.2.1 Pt Alloys 3 1.2.2.2 Supported-Enhanced Catalysts 6 1.3 Transition-Metal-Based Materials 10 1.3.1 Metals and Alloys 10 1.3.2 Transition Metal Oxides/Sulfides 12 1.4 Atomically Dispersed Metal in Carbon Materials 19 1.5 Metal-Free ORR Electrocatalysts 23 1.6 Conclusion 25 References 26 2 Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction 35Guanyu Liu and Joel W. Ager 2.1 Introduction 35 2.2 Bioinspiration: OER in Photosystem II 36 2.3 Fundamentals of Electrocatalytic OER 36 2.3.1 Electrode Substrate 37 2.3.2 Electrolyte 38 2.3.3 Onset Potential and Overpotential 38 2.3.4 Tafel Analysis of the Rate-Determining Step 38 2.3.5 pH Dependence: The Nernst Equation 39 2.3.6 Long-Term Stability 41 2.3.7 Other Parameters 41 2.4 Reaction Mechanisms 41 2.4.1 WNA Mechanism 42 2.4.2 I2M Mechanism 44 2.5 OER Catalysts 44 2.5.1 Molecular OER Catalysts 44 2.5.1.1 Ru- and Ir-Based Molecular Catalysts 45 2.5.1.2 Earth-Abundant Transition Metal-Based Molecular Catalysts 46 2.5.1.3 Stabilization Strategies for Molecular Catalysts 47 2.5.1.4 All-Inorganic Polyoxometalates 48 2.5.2 Heterogeneous OER Catalysts 48 2.5.2.1 Metal Oxides 48 2.5.2.2 (Oxy)Hydroxides and Double Hydroxides 54 2.5.2.3 Metal Chalcogenides 55 2.5.2.4 Metal Pnictides 57 2.5.2.5 Carbon-Based Materials 58 2.5.2.6 Crystalline Frameworks and Their Derivatives 59 2.6 Challenges for Practical Catalytic Electrodes for OER 62 2.6.1 Industrially Viable Fabrication Techniques 62 2.6.2 Gas Bubble Formation on the Surface of Electrodes 62 2.6.3 Novel Approaches Toward Catalyst Discovery 65 2.7 Conclusions 67 References 68 3 Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction 87Guoqiang Zhao and Wenping Sun 3.1 Introduction 87 3.2 HER Mechanism 89 3.2.1 HER Mechanism in Acid Media 89 3.2.2 HER Mechanism in Alkaline Media 93 3.3 Key Parameters for Evaluating Catalytic Activity 96 3.3.1 Overpotential 96 3.3.2 Turnover Frequency 97 3.4 PGMs-Based Electrocatalysts 98 3.4.1 PGM Alloys 99 3.4.2 PGM Heterostructured Electrocatalysts 101 3.4.3 PGM Single-Atom Electrocatalysts 106 3.5 PGM-Free Materials 108 3.5.1 2D Transition Metal Dichalcogenides 108 3.5.2 Transition Metal Phosphorus/Nitrides/Carbides 111 3.5.3 PGM-Free Heterostructured Electrocatalysts 112 3.6 Summary 117 References 118 4 Electrocatalytic Water Splitting 123Suraj Gupta 4.1 Introduction 123 4.2 Fundamental Concepts 124 4.2.1 Electric Double Layer 124 4.2.2 Standard Electrode Potential 125 4.2.3 Overpotential 129 4.2.4 Electrode Kinetics 129 4.3 Industrial Systems for Electrocatalytic Water Splitting 133 4.3.1 Alkaline Water Electrolyzers 133 4.3.2 Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers 135 4.3.2.1 Membrane Electrode Assembly 136 4.3.2.2 Current Collectors 137 4.3.2.3 Bipolar/Separator Plates 138 4.3.3 Zero-Gap AWE 138 4.3.4 Comparing PEMWE and AWE 139 4.3.5 Other Types of Water Electrolyzers 141 4.3.5.1 Solid Oxide Electrolyzers 141 4.3.5.2 Microbial Electrolyzers (MEs) 144 4.4 Electrocatalysts for HER and OER 145 4.5 Electrocatalytic Seawater Splitting 147 4.5.1 Demographic Analysis 147 4.5.2 Challenges in Electrocatalytic Seawater Splitting 147 4.5.3 State-of-the-Art 151 4.5.4 Prospects for Electrocatalytic Splitting of Seawater 153 4.6 Conclusions 154 References 154 5 Electrochemical Carbon Dioxide Reduction Reaction 159Yating Zhu, Congyong Wang, Zengqiang Gao, Junjun Li, and Zhicheng Zhang 5.1 Introduction 159 5.2 Principles 160 5.2.1 The Conversion of CO2 to C1 Products 160 5.2.2 The Conversion of CO2 to Multi-Carbon Products 161 5.3 Materials for Electrochemical CO2RR 163 5.3.1 Metallic Materials 163 5.3.1.1 Transition Metallic Materials 163 5.3.1.2 Other Metallic Materials 165 5.3.2 Carbon Materials 165 5.3.2.1 Carbon Nanofibers 167 5.3.2.2 Carbon Nanotubes 167 5.3.2.3 Mesoporous Carbon 168 5.3.2.4 Graphene (Graphene Quantum Dots) 168 5.3.2.5 Diamond 170 5.3.3 Organic Framework Materials 171 5.3.3.1 Metal–Organic Frameworks 172 5.3.3.2 Covalent Organic Frameworks 176 5.4 Conclusion 178 References 180 6 Electrochemical N2 Reduction 183Yulu Yang, Jiandong Liu, Huapin Wang, and Jianmin Ma 6.1 Introduction 183 6.2 Fundamentals of Electrocatalytic Nitrogen Reduction 184 6.3 Product Detection and Efficiency Evaluation 186 6.4 NRR Catalysts 188 6.4.1 Noble Metal Catalysts 188 6.4.1.1 Au Base Catalyst 188 6.4.1.2 Ru Base Catalyst 190 6.4.1.3 Pd Base Catalyst 191 6.4.1.4 Pt Base Catalyst 191 6.4.2 Non-noble Metal Catalyst 191 6.4.2.1 Mo Base Catalyst 194 6.4.2.2 Ni, Co and Fe Base Catalyst 197 6.4.2.3 Metal-Free Catalysts 197 6.4.3 Monatomic Catalysts 197 6.5 Conclusion and Prospects 202 References 202 7 Photoelectrochemical Water Splitting 205Yangqin Gao, Ge Lei, Zhijie Tian, Hongying Zhu, and Lianzheng Ma 7.1 Introduction 205 7.2 Photoelectrochemical Cells 208 7.2.1 Water Splitting 209 7.2.2 Types of Photoelectrochemical Devices 209 7.2.2.1 Photoelectrolysis Cell 210 7.2.2.2 Photo-Assisted Electrolysis Cell 210 7.2.2.3 Photovoltaic Electrolysis Cell 210 7.3 Basic Concepts in Semiconductors 211 7.3.1 Electronic Properties of Semiconductors 211 7.3.2 Optical Properties of Semiconductors 218 7.3.3 Quasi Thermal Equilibrium and Quasi Fermi Level Splitting 222 7.4 General Properties of a Semiconductor/Liquid Junction 224 7.4.1 Equilibrium State at a Semiconductor/Liquid Junction 224 7.4.2 Charge Transfer at a Semiconductor/Liquid Junction 229 7.5 The Current-Voltage Behaviours of a Semiconductor/Liquid Junction 231 7.5.1 The Current-Voltage Characteristics of a Semiconductor/Liquid Junction in Dark 231 7.5.2 The Current-Voltage Characteristics of a Semiconductor/Liquid Junction under Illumination 233 7.6 Energy Conversion Efficiency 234 7.7 Summary 235 References 236 8 Photoelectrocatalytic Solar Water Splitting 241Deyu Liu and Yongbo Kuang 8.1 Introduction 241 8.2 Basic Concepts of Nonbiased PEC System 242 8.2.1 Thermodynamics of PEC System 242 8.2.2 Photoelectrodes and Photoelectrochemical Cells 244 8.2.3 Unbiased PEC Solar Water Splitting Cells 245 8.2.4 Selection of Semiconducting Materials 246 8.3 Design of Photoelectrodes from System-Wide View 250 8.3.1 From Semiconductor Materials to Photoelectrodes 250 8.3.2 Parameters of the Photoelectrodes 252 8.3.3 Functionalization Layers and Cocatalysts 255 8.3.4 Testing and Operation Conditions 258 8.4 Design of Integrated PEC Systems 261 8.5 Techno-Economic Assessment 264 8.6 Summary and Overlook 268 References 271 9 Photoelectrochemical Reduction of CO2 275Yuchen Qin and Haoyi Wu 9.1 Introduction 275 9.2 Fundamental Principles of PEC CO2 Reduction 276 9.2.1 Mechanism 276 9.2.2 Reaction Conditions 277 9.2.2.1 pH Value 277 9.2.2.2 Electrolyte Type 277 9.2.2.3 Reaction Temperature and Pressure 278 9.2.3 Evaluation Parameters for PEC CO2 Reduction 278 9.2.3.1 Product Evolution Rate and Catalytic Current Density 278 9.2.3.2 Faradaic Efficiency 278 9.2.3.3 Turnover Number and Turnover Frequency 278 9.2.3.4 Quantum Yield 279 9.3 Strengthen Strategies for PEC CO2 Reduction 279 9.3.1 Advanced Design for Photoelectrode 279 9.3.1.1 Photocathodes and Dark Anodes 279 9.3.1.2 Photoanodes and Dark Cathodes 285 9.3.1.3 Photoanodes and Photocathodes 286 9.3.1.4 PEC-Photovoltaic Cell Tandem and Wireless Monolithic Devices 286 9.3.2 PEC Reactor Configuration 287 9.3.2.1 Light Source 288 9.3.2.2 Heat Transfer 289 9.3.2.3 Utilization of CO2 289 9.3.2.4 Classification of Reactors 289 9.4 Summary and Perspectives 289 References 292 10 Photoelectrochemical Oxygen Evolution 301Hoi Ying Chung, Hao Wu, Xuelian Wu, Chenliang Su, and Yun Hau Ng 10.1 Introduction of Photoelectrochemical Oxygen Evolution 301 10.2 Working Principles of Photoelectrochemical Oxygen Evolution 302 10.3 Promising Visible Light Active Photoanode for PEC Oxygen Evolution 305 10.3.1 Tungsten Oxide (WO3) Photoanode 305 10.3.2 Hematite (α-Fe2O3) Photoanode 308 10.3.3 Bismuth-Based Ternary Oxide Photoanode 311 10.3.3.1 Bismuth vanadate (BiVO4) 312 10.3.3.2 Bismuth Tungstate (Bi2WO6) 319 10.3.3.3 Bismuth Molybdate (Bi2MoO6) 322 10.3.4 Tantalum Oxynitride (TaON) and Tantalum Nitride (Ta3N5) 324 10.4 Summary and Outlook 328 References 329 11 Photoelectrochemical Nitrogen Reduction Reaction 339Gnanaprakasam Janani, Subramani Surendran, Hyeonuk Choi, and Uk Sim 11.1 Introduction 339 11.2 Nitrogen Reduction Reaction 341 11.3 Photoelectrochemistry for Provision of Sustainable Energy Sources 342 11.4 Fundamentals of Photoelectrochemical Nitrogen Reduction Reaction (PEC NRR) 344 11.5 Hitches in NRR 347 11.5.1 Semiconductor Considerations 347 11.5.2 H2 Evolution Reaction and Selectivity 348 11.6 Mechanisms 350 11.7 Contribution of Catalysts in PEC NRR 352 11.7.1 Semiconductors 352 11.7.2 Plasmon-Induced Ammonia Synthesis 360 11.7.3 Black Phosphorus-based Catalysts 366 11.7.4 Role of Diamond 367 11.8 Beyond Conventional Catalysts 369 11.8.1 Electrolytes 370 11.8.2 Diffusion of N2 Gas 370 11.8.3 Prototypes 370 11.8.4 N2 Adsorption and Activation on the Catalyst Surface 371 11.9 Methods to Measure Ammonia 373 11.9.1 Colorimetric Method 373 11.9.2 Ion Chromatography Method 374 11.9.3 Ion-Selective Electrode Method 374 11.9.4 Fluorometric Method 375 11.9.5 Conductivity Method 375 11.9.6 Titrimetric Method 376 11.9.7 In situ Fourier Transform Infrared spectroscopy 376 11.9.8 Nuclear Magnetic Resonance 376 11.10 Formulas 377 11.11 From the Holy Grail to Practical Systems 377 11.12 Conclusion 378 References 378 12 Photocatalytic Oxygen Reduction 389Hai-Ying Jiang and Xianguang Meng 12.1 Formation of ROS 389 12.2 Detection of ROS 393 12.2.1 Detection of 1O2 393 12.2.2 Detection of O−⋅2 394 12.3 Detection of H2O2 397 12.3.1 DPD–POD Method 397 12.3.2 DMP Method 398 12.4 Detection of ⋅OH 398 12.5 Applications of Photocatalytic Oxygen Reduction 402 12.5.1 Synthetic Applications 403 12.5.2 Environmental Applications 404 12.5.3 Photocatalytic H2O2 Synthesis 405 References 409 13 Photocatalytic Hydrogen Production 415Zhen Li, Mengqing Hu, Yanqi Xu, Di Zhao, Shuaiyu Jiang, Kaicai Fan, Meng Zu, Mohammad Al-Mamun, Huajie Yin, Shan Chen, Yuhai Dou, Lei Zhang, Yu L. Zhong, Yun Wang, Shanqing Zhang, Porun Liu, and Huijun Zhao 13.1 Introduction 415 13.2 Fundamental of Heterogeneous Photocatalysis 416 13.2.1 History of Photocatalysis Hydrogen Evolution and Current Status 416 13.2.2 Thermodynamics of Photocatalytic Processes for Hydrogen Evolution 420 13.2.3 Evaluation Criteria of Efficiency for Photocatalytic Hydrogen Evolution 422 13.2.4 Key Parameters of Photocatalytic Processes 423 13.3 Enhancement for One-Step Photoexcitation for PCHER 425 13.3.1 Band Structure 425 13.3.2 Exposed Facet Engineering 427 13.3.3 Control on Microstructure and Surface Area 429 13.3.4 Doping /Vacancies/Defects 431 13.3.4.1 Metal Doping 432 13.3.4.2 Non-Metal Doping 433 13.3.4.3 Vacancies/Defects 435 13.3.5 Hole Scavenger 436 13.3.5.1 Inorganic Salts and Organic Salts 436 13.3.5.2 Organic Compounds 437 13.3.5.3 Lignocellulosic Biomass 439 13.4 Enhancement for Two-step Photoexcitation for PCHER 440 13.4.1 Surface Sensitization 442 13.4.1.1 Semiconductors Act as the Light Absorber 442 13.4.1.2 Semiconductors Act as the Reaction Sites 445 13.4.1.3 Semiconductors Act as Both Light Absorber and the Reaction Site 448 13.4.2 Type I, II, III Heterojunctions 449 13.4.3 Z-Scheme Heterojunctions 450 13.4.3.1 Z-Scheme with a Shuttle Redox Mediator 451 13.4.3.2 Z-Scheme with a Solid Mediator 453 13.4.3.3 Direct Z-Scheme 453 13.5 Enhancement with Other Operation Parameters 456 13.5.1 Backward/Side Reactions 457 13.5.2 Improved Mass Transfer 457 13.5.3 Corrosion Resistance 458 13.5.4 Temperature 459 13.5.5 Light Intensity 459 13.5.6 Solution pH 460 13.5.7 Design of Reactor 460 13.6 Summary and Perspectives 462 References 464 14 Photocatalytic Oxygen Evolution 485Wenzhang Li and Keke Wang 14.1 Introduction 485 14.2 Basic of Photocatalytic Water Splitting 486 14.2.1 History of Photocatalytic Water Splitting 486 14.2.2 Fundamentals of Photocatalytic Water Splitting 489 14.2.3 Half-Reactions Using Sacrificial Electron Donors and Acceptors 491 14.3 Semiconductor Photocatalysts 492 14.3.1 Brief History of Semiconductor Photocatalysts 492 14.3.2 Advancements in Photocatalyst Materials 493 14.3.2.1 Doping 493 14.3.2.2 Heterostructures 499 14.3.2.3 Morphology Control 507 14.3.2.4 Cocatalyst Loading 510 14.4 Conclusion Remarks and Future Directions 513 References 514 15 Photocatalytic Overall Water Splitting 521Ning Zhang 15.1 Background 521 15.2 Evaluation of Overall Water Splitting 524 15.2.1 Stoichiometric Evolved Gaseous H2 and O2 524 15.2.2 Calculation of Turnover Number 525 15.2.3 Calculation of Quantum Yield 526 15.3 Photocatalysts 526 15.3.1 Single Semiconductor 526 15.3.2 Z-Scheme System 530 15.3.3 Heterojunctions 532 15.3.4 Polymers 535 15.4 Conclusions and Prospects 538 References 538 16 Photocatalytic CO2 Reduction 541Deli Jiang, Qi Song, Yuyan Xu, and Di Li 16.1 Introduction 541 16.2 Principle and Mechanism of CO2 Reduction 542 16.2.1 Thermodynamics of CO2 Reduction 542 16.2.2 Kinetics of CO2 Reduction 543 16.2.3 CO2 Adsorption Configurations 544 16.3 Strategies to Improve the Photocatalytic CO2 Reduction Activities 544 16.3.1 Defect Engineering 545 16.3.1.1 Anions Vacancies 545 16.3.1.2 Cations Vacancies 547 16.3.2 Loading of Metal Co-catalyst 550 16.3.2.1 Loading of Pt Nanoparticles 550 16.3.2.2 Loading of Pd Nanoparticles 551 16.3.2.3 Loading of Ag Nanoparticles 553 16.3.2.4 Loading of Alloys Nanoparticles 555 16.3.3 Construction of Heterojunctions 557 16.3.3.1 II-Typical Heterojunctions 558 16.3.3.2 Z-Scheme Heterojunction 559 16.4 Conclusions 562 Acknowledgment 562 References 562 Index 569

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Book SynopsisSilicon The expert reference on sustainable and energy-efficient production of photovoltaic-grade silicon materials Electrochemical methods, in particular molten-salt approaches, are a cost-effective, energy-efficient, and highly sustainable approach for producing solar-grade silicon. Surface micro- and nanostructuring methods for effective light harvesting, silicon electrorefining in molten salts, electrodeposition of photoresponsive films, and other related processes are likely to replace conventional carbothermic production methods. Silicon: Electrochemistry, Production, Purification and Applications presents an up-to-date summary of recent experimental and technological developments in the field, highlighting sustainable and energy-efficient processes for high-grade silicon production for a variety of photovoltaic and energy applications. Presented in a logical and concise format, this authoritative volume details the fundamental properties and technical processes of metal-grade silicon production and describes the various electrochemical methods for high-grade silicon production. Topics include silicon surface modification, chemical-physical structuring, porous and black silicon, electrochemical Si surface structuring and anodizing in molten salts, and more. Reviews the sustainable and energy-efficient production and purification of photovoltaic-grade silicon materials Summarizes recent progress in sustainable processes for high-grade silicon production Describes electrochemical methods for silicon production such as electrolysis, electrodeposition, and electrorefining Concludes with a discussion of future challenges and opportunities Written by a leading researcher in the field, Silicon: Electrochemistry, Production, Purification and Applications is a valuable resource for chemists and material scientists in academia and industry, particularly those working in sustainable energy development, photovoltaics, light harvesting efficiency, solar-to-chemical conversion, and production of solar-grade silicon, batteries, photoelectrodes, or silicon-based semiconductors.Table of Contents1. Introduction 2. Historical overview of silicon production 3. Physical and chemical properties of silicon 3. Production of metal grade silicon 4. Refining of silicon: from metal to electronic grade 5. Basics of semiconductor electrochemistry, photo-effects 6. Silicon equilibrium and electrolysis in aqueous electrolytes: - Thermodynamic stability, native oxide - Surface termination effects - Photoelectrochemical effects - Anodic polarization, surface passivation - Cathodic polarization 7. Porous silicon: formation, mechanisms and morphology - Etching in fluoride solutions - Etching in alkaline solutions 8. Electro-deoxidation of solid compounds in molten salts 9. Silicon electrochemistry in molten salts - toward low-carbon economy 10. Voltammetry and basic reactions of silicon as an electrode in molten CaCl2 11. Electrochemical production of Si in molten CaCl2 from SiO2 12. Electrodeposition of thin Si films - Electrodeposition in molten fluoride electrolytes - Si films from molten CaCl2: photoactive layers and p-n junction 13. Electrodeposition of Si from ionic liquids and organic solvents 14. Purity concerns and solutions 15. Silicon electrorefining in molten salts 16. Silicon surface structuring - Chemical-physical structuring - Electrochemical Si surface structuring in molten salts -- Anodizing in molten salt -- Microcolumnar and amorphous structures -- Electro-Deoxidation of SiO2 layers 17. Black silicon 18. Synthesis of nanowires and implications for Li-batteries production 19. Silicon compositions - perspectives for semiconductor production - Silicon carbide - Silicides 20. Concluding remarks, future opportunities and challenges 21. References

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Book SynopsisTechnologies for Integrated Energy Systems and Networks Explore emerging technologies that will play a central role in humanity’s transition to a low-carbon future In Technologies for Integrated Energy Systems and Networks, a team of distinguished authors delivers a detailed discussion of integrated energy systems and networks, including a comprehensive overview of emerging technologies. The book focuses on the technologies and systems that play a major role in integrated energy systems, like renewable and distributed energy resources, power conversion technologies, hydrogen, storage technologies, electric mobility, zero- and positive-energy buildings, and local energy communities. A one-of-a-kind and holistic treatment of integrated energy systems, this book explores power conversion, including power-to-gas, power-to-liquid, and power- to-heat technologies, as well as other issues of interest to a broad range of students, professionals, and academicians involved in energy transition. It also covers: A thorough introduction to the digitalization of the energy sector and local market development enabling citizen involvement Comprehensive explorations of integrated energy systems as an engine of energy transition Practical discussions of renewable and distributed energy resources for sustainable economic development In-depth examinations of the role of hydrogen in a low-carbon energy future and the storage technologies of different energy carriers Perfect for electrical, construction, power and energy engineers, Technologies for Integrated Energy Systems and Networks will also earn a place in the libraries of electrochemists and environmental consultants.Table of ContentsI.INTRODUCTION 1.Digitalization of the energy sector 2.Local markets development for enabling citizen involvement 3.Integrated energy systems: the engine for energy transition II.TECHNOLOGIES FOR INTEGRATED ENERGY SYSTEMS AND NETWORKS 1.Renewable energy and distributed energy resources for sustainable economic development 2.Power conversion technologies: the advent of Power-to-Gas, Power-to-Liquid and Power-to-Heat 3.The role of hydrogen in low-carbon energy future 4.Storage technologies of different energy carriers 5.E-Mobility and the energy transition 6.Nearly zero-energy and positive-energy buildings: status and trends 7.Transition potential of Renewable Energy Communities 8.Conclusions

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Book SynopsisIntegrated Nanophotonics Helps readers understand the important advances in nanophotonics materials development and their latest applications This book introduces the current state of and emerging trends in the development of integrated nanophotonics. Written by three well-qualified authors, it systematically reviews the knowledge of integrated nanophotonics from theory to the most recent technological developments. It also covers the applications of integrated nanophotonics in essential areas such as neuromorphic computing, biosensing, and optical communications. Lastly, it brings together the latest advancements in the key principles of photonic integrated circuits, plus the recent advances in tackling the barriers in photonic integrated circuits. Sample topics included in this comprehensive resource include: Platforms for integrated nanophotonics, including lithium niobate nanophotonics, indium phosphide nanophotonics, silicon nanophotonics, and nonlinear optics for integrated photonics The devices and technologies for integrated nanophotonics in on-chip light sources, optical packaging of photonic integrated circuits, optical interconnects, and light processing devices Applications on neuromorphic computing, biosensing, LIDAR, and computing for AI and artificial neural network and deep learning Materials scientists, physicists, and physical chemists can use this book to understand the totality of cutting-edge theory, research, and applications in the field of integrated nanophotonics.Table of ContentsPreface xi 1 Packaging and Test of Photonic Integrated Circuits (PICs) 1 Stéphane Bernabé, Tolga Tekin, Bogdan Sirbu, Jean Charbonnier, Philippe Grosse, and Moritz Seyfried 1.1 Introduction 1 1.2 Challenges and Specificities of PIC Packaging and Test 2 1.2.1 Optical Interconnects 3 1.2.2 Coupling Structures 5 1.2.2.1 Edge Coupler 5 1.2.2.2 Vertical Grating Coupler (VGC) 6 1.2.2.3 Evanescent Coupling 7 1.2.3 Wafer-level Test 7 1.2.4 Module Packaging 10 1.2.5 Fiber Optic Assembly (Pigtailing) 12 1.2.5.1 PIC Alignment to a Lensed Fiber 12 1.2.5.2 PIC Butt Coupling to a Standard Cleaved Single-mode Fiber 12 1.2.5.3 Lens Coupling Scheme 13 1.2.5.4 Optical Waveguide Interposer Coupling 14 1.2.6 Emerging Trends for Module Mass Manufacturing 15 1.3 Advances in Optical Coupling Strategies 18 1.3.1 Toward Passive Alignment Strategies 19 1.3.2 Advanced Technologies for Vision-Assisted Technologies 20 1.3.2.1 Open-Loop Alignment 20 1.3.2.2 Closed-Loop Alignment 20 1.3.3 Advanced Technologies for Self-alignment Strategies 21 1.3.3.1 Self-alignment of Fiber to PIC Through an Silicon Optical Bench Using Flip-Chip 22 1.3.3.2 Self-alignment-assisted Microlenses Assembly 22 1.3.3.3 Self-alignment of Polymer Waveguides 22 1.3.3.4 Self-alignment of Optical Plug 23 1.3.4 Laser/PIC Coupling 23 1.4 Electronic/Photonic Convergence 25 1.4.1 Flip-chip Interconnects 26 1.4.1.1 Standard Die-to-die interconnects 26 1.4.1.2 Advanced Interconnects for Future Needs 27 1.4.2 Intra-connections (Through Silicon Vias and Through Glass Vias) 29 1.4.2.1 TSV Last Process 29 1.4.2.2 TSV Middle Process 30 1.4.2.3 Through Glass Via (TGV) 31 1.4.3 Fan-out Wafer-level Packaging (FOWLP) 31 1.4.4 Interposers Integration Approach 32 1.4.4.1 Interposers for Electronic Integrated Circuits (CMOS) 33 1.4.4.2 Photonic Interposer and Photonic Systems on Chip 34 1.5 Toward an Ecosystem in Test and Assembly of PICs 36 1.5.1 Design Rules for Packaging and Test 36 1.5.1.1 3D Packaging 38 1.5.1.2 Design Rules for Testing 39 1.5.2 Advanced Techniques for Wafer-level Test 39 1.5.3 Recent Achievements and Future Aspects in Assembly Machines 40 1.6 Conclusion 45 Acknowledgments 46 References 46 2 The Last Mile Technology of Silicon Photonics Toward Productions and Emerging Applications 53 Bo Li, Shawn Yohanes Siew, Feng Gao, Shawn Wu Xie, Qiang Li, Chao Li, Xianshu Luo, Guo-Qiang Lo, and Junfeng Song 2.1 Introduction 53 2.2 Fiber-to-Chip Assembly 55 2.3 Hybrid Integration of Light Source 59 2.4 Electronic and Photonic Co-Packaging 63 2.5 Outlook 65 2.5.1 Silicon Photonics Emerging Applications 65 2.5.2 Opportunities and Challenges 68 References 70 3 Integrated Nonlinear Photonics and Emerging Applications 75 Yang Yue, Wenpu Geng, Yuxi Fang, and Yingning Wang 3.1 Introduction 75 3.2 Supercontinuum 77 3.2.1 Applications 77 3.2.2 History of SCG in Integrated Waveguides 79 3.2.3 Representative Works 83 3.3 Optical Frequency Comb 90 3.3.1 Microresonator-Based OFC 91 3.3.2 SC-Based OFC 99 3.3.3 EO-Based OFC 99 3.3.4 MLL-Based OFC 99 3.3.5 Applications 101 3.4 Nonlinear Wave Mixing 102 3.4.1 Introduction 102 3.4.2 Nonlinear Optical Signal Processing in Integrated Waveguides 105 3.4.3 Representative Works 108 3.5 Conclusion and Perspectives 116 References 117 4 Excitation, Generation, Positioning, and Modulation for Quantum Light Sources Integrated on Chip 135 Cuo Wu, Cuiping Ma, and Zhiming Wang 4.1 Introduction 135 4.2 Excitation and Orientation of Quantum Emitters 136 4.3 Chip-Scale Integration Based on Quantum Emitters 141 4.3.1 Solution-Based Colloidal and Self-Assembled Quantum Dots 141 4.3.2 Strain-Induced Emitter Sites of Two-Dimensional Materials 144 4.3.3 Color Centers in Nanodiamond 148 4.4 Deterministically Positioning of Quantum Emitter 154 4.5 Quantum Light Interaction with Metasurface for Modulation 156 4.6 Conclusion 159 References 160 5 Quantum Light Sources in Two-Dimensional Materials 167 Yanan Wang and Philip X.-L. Feng 5.1 Introduction 167 5.2 Theory of Quantum Light Sources 168 5.2.1 Photon Statistics 168 5.2.1.1 Thermal Light 169 5.2.1.2 Coherent Light 170 5.2.1.3 Squeezed Light 170 5.2.2 Characteristics of Quantum Light Sources 172 5.2.2.1 Wavelength 172 5.2.2.2 Lifetime, Emission Rate, and Brightness 172 5.2.2.3 Emission Linewidth 173 5.2.2.4 Zero-Phonon Line (ZPL) and Debye–Waller Factor 173 5.2.2.5 Photon Polarization and Dipole Orientation 173 5.2.2.6 Optically Addressable Spin State 174 5.2.2.7 Indistinguishability 174 5.3 Quantum Light Sources in 2D Materials 175 5.3.1 Localized Excitons in Transition Metal Dichalcogenides 176 5.3.2 Defect Centers in Hexagonal Boron Nitride 179 5.3.3 Graphene Quantum Dots 183 5.3.4 Quantum Light-Emitting Diodes 186 5.4 Integration with On-Chip Components 189 5.4.1 Theory of SPE-Cavity Coupling 190 5.4.1.1 Strong Coupling Regime 190 5.4.1.2 Weak Coupling Regime 191 5.4.2 Integration with Dielectric Waveguides and Cavities 191 5.4.2.1 Transferring 2D SPEs onto Predefined Structures 192 5.4.2.2 Transferring or Fabricating Photonic Structures on 2D Materials 194 5.4.2.3 Monolithic Integration 195 5.4.3 Integration with Plasmonic Waveguides and Cavities 197 5.5 Integration with Off-Chip Components 199 5.5.1 Flip-chip Integration 199 5.5.2 Integration with Optic Fibers 200 5.6 Summary and Outlook 202 Acknowledgments 203 References 204 6 Inverse Design for Integrated Photonics Using Deep Neural Network 209 Keisuke Kojima, Toshiaki Koike-Akino, Yingheng Tang, and Ye Wang 6.1 Introduction 209 6.2 Deep Neural Network (DNN) Models 210 6.2.1 Forward Modeling 211 6.2.2 Inverse Modeling 212 6.2.3 Generative Modeling 212 6.3 Deep Learning for Forward Modeling to Predict Optical Response 212 6.4 Deep Learning for Inverse Modeling to Construct Device Topology 217 6.5 Deep Learning for Generative Modeling to Produce Device Topology Candidates 220 6.6 Physics-informed Neural Networks 225 6.7 Nanophotonic Power Splitter Design Using Generative Modeling 227 6.7.1 Device Structure 228 6.7.2 Device Simulation Procedure 229 6.7.3 Network Architecture 230 6.7.4 Network Training Procedure 231 6.7.5 Device Generation Performance 232 6.7.6 Hyperparameters 234 6.7.7 Adjoint Method vs. Deep Learning 234 6.8 Deep Learning Techniques 235 6.8.1 Convolutional Neural Networks 235 6.8.2 Transfer Learning and Fine Tuning 235 6.8.3 AutoML: Meta Learning, Learning to Learn, Network Architecture Search 236 6.9 Conclusion 237 References 237 7 Deep Learning Driven Data Processing, Modeling, and Inverse Design for Nanophotonics 245 Peter R. Wiecha, Nicholas J. Dinsdale, and Otto L. Muskens 7.1 Introduction 245 7.2 Artificial Neural Networks and Deep Learning 245 7.2.1 Artificial Neurons and Neural Networks 246 7.2.2 Training of Artificial Neural Networks 247 7.3 Ultrafast Physics Predictions 248 7.3.1 Specialized Physics Predictors: Fully Connected vs. Convolutional ANNs 249 7.3.2 Generalized Nanophotonics Predictor Network 252 7.4 Photonics Inverse Design 255 7.4.1 Predictor Network as a Surrogate Model for Optimization 256 7.4.1.1 Example: Polarization Conversion Maximization 257 7.4.1.2 Example: Maximize Magnetic Near-Field 258 7.4.2 Direct Inverse Design Networks 259 7.4.3 Optimizing Inverse Design Performance 260 7.4.3.1 Optimizing the Network Layout 262 7.4.3.2 Quality of the Initial Dataset 262 7.4.3.3 Iterative Training 264 7.4.3.4 Postprocessing 265 7.5 Advanced Data Processing for Photonics Applications 265 7.5.1 Optical Data Storage below the Diffraction Limit 265 7.5.2 Speckle Reconstruction for Real-time Hyperspectral Imaging 267 7.6 Conclusion and Outlook 269 References 270 8 Optical Waveguide of Lithium Niobate Nanophotonics 277 Yarub Al-Douri 8.1 Introduction 277 8.2 Photonics Lithium Niobate 278 8.3 Nanophotonic Lithium Niobate-Based Optical Waveguide 286 8.4 Optical Studies of Nanophotonic Lithium Niobate-Based Optical Waveguide 287 8.5 Nanophotonic LiNbO 3 Under Stirrer Time Effect 295 8.6 Nanophotonic Studies of LiNbO 3 Under Stirrer Time Effect 297 8.7 Conclusions 304 References 305 9 Active, Tunable, and Reconfigurable Nanophotonics 313 Trevon Badloe, Jaehyuck Jang, Heonyeong Jeong, Minsu Jeong, Inki Kim, Byoungsu Ko, Jihae Lee, Taejun Lee, Seong-Won Moon, Dong Kyo Oh, Younghwan Yang, Gwanho Yoon, and Junsuk Rho 9.1 Introduction 313 9.2 Liquid Crystal-Integrated Tunable Devices 314 9.2.1 Devices that Modulate Polarization 314 9.2.2 Devices that Modulate Effective Refractive Index 316 9.3 Optically Tunable Devices 318 9.3.1 Devices that Are Dependent on the Direction of Incident Light 318 9.3.2 Devices that Depend on Wavelength 319 9.3.3 Devices that Depend on Polarization (Spin) 321 9.3.4 Orbital Angular Momentum-dependent Devices 323 9.4 Phase Change Materials-Based Reconfigurable Devices 324 9.4.1 Switchable Absorbers 324 9.4.2 Thermochromic Smart Windows 327 9.5 Mechanically Tunable Photonic Devices 329 9.5.1 Tunable Devices that Use Micro-electro-mechanical Systems 329 9.5.2 Photonic Devices that Are Tuned Using Strain 331 9.6 Tunable Photonic Devices with Material Engineering 335 9.6.1 Bandgap Engineering for Tunable Solid-state Devices 335 9.6.2 Biomaterials for Tunable Biophotonic Devices 339 9.7 Electrically Tunable Photonic Devices 341 Acknowledgments 346 References 346 Index 359

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Book SynopsisPrintable Mesoscopic Perovskite Solar Cells A comprehensive exploration of printable perovskite solar cells and their potential for commercialization In Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells, a team of distinguished researchers delivers an accessible and incisive discussion of the principles, technologies, and fabrication processes associated with the manufacture and use of perovskite solar cells. The authors detail the properties, characterization methods, and technologies for halide perovskite materials and devices and explain printable processing technologies, mesoscopic anode and cathodes, and spacer layers for printable perovskite solar cells. In the book, you’ll find expansive discussions of the stability issues inherent in perovskite solar cells and explore the potential for scaling and commercializing the printing of perovskite solar cells, complete with real-world industry data. Readers will also find: A thorough introduction to the background and fundamentals of perovskite solar cells Comprehensive explorations of the characterization methods and technologies used with halide perovskite materials and devices Practical discussions of printable processing technologies for perovskite solar cells Fulsome treatments of the stability issues associated with perovskite solar cells and potential solutions for them Perfect for materials scientists, solid state physicists and chemists, and electronics engineers, Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells will also benefit surface chemists and physicists.Table of ContentsBiography xi Preface xiii 1 Background and Basic Knowledge of Perovskite Solar Cells 1 Maria Vasilopoulou, Abd Rashid B. Mohd Yusoff, and Mohammad K. Nazeeruddin 1.1 Background 1 1.2 The Principle of Solar Cells 2 1.2.1 Silicon Solar Cells 2 1.2.2 Dye-sensitized Solar Cells 7 1.2.3 Organic Solar Cells 9 1.2.4 Perovskite Solar Cells 11 1.3 The Typical Structures of PSC 13 1.3.1 Mesoscopic Structure 13 1.3.2 Triple-mesoscopic Layer Structure 14 1.3.3 Regular Planar n-i-p Structure 15 1.3.4 Inverted Planar p-i-n Structure 15 References 15 2 Characterization Methods and Technologies for Halide Perovskite Materials and Devices 19 Lukas Wagner, Dmitry Bogachuk, Cheng Qiu, Gayathri Mathiazhagan, Salma Zouhair, and Andreas Hinsch 2.1 Introduction 19 2.2 Printing Layer Quality 19 2.2.1 Thickness Measurement 19 2.2.1.1 Profilometry 20 2.2.1.2 Sem 20 2.2.1.3 Ellipsometry 20 2.2.2 Porosity Estimation 21 2.2.2.1 Gas Adsorption (BET Method) 21 2.2.2.2 SEM/FIB 3D Nanotomography 22 2.2.3 Sheet Resistance 23 2.2.3.1 Four-point Probe Measurement 23 2.2.4 Shunt Resistance of Unfilled Cell 24 2.3 Material and Crystal Properties 25 2.3.1 X-Ray Diffraction (XRD) Analysis 25 2.3.2 UV–Vis–NIR Spectroscopy 25 2.3.3 Raman Shift Spectroscopy 26 2.3.4 Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX) 28 2.3.4.1 Scanning Electron Microscopy (SEM) 28 2.3.4.2 Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX) 30 2.3.5 Atomic Force Microscopy (AFM) 31 2.3.6 Contact Angle Measurement 32 2.4 Spatially Resolved Steady-state Photophysical Methods 33 2.4.1 Photoluminescence Microscopy Imaging 34 2.4.2 Microscopic Photoluminescence Spectroscopy Mapping 35 2.4.3 Electroluminescence Imaging 36 2.4.4 Bias-dependent Photoluminescence Imaging 37 2.4.5 Real-time Photoluminescence Measurement 37 2.4.6 Dark Lock-in Thermography (DLIT) 39 2.4.7 Light-Beam-Induced Current (LBIC) 42 2.5 Transient Optoelectronic Methods 42 2.5.1 Intensity-modulated Photocurrent/Photovoltage Spectroscopy (imps/imvs) 42 2.5.2 Transient Photocurrent/Photovoltage (TPC/TPV) 43 2.5.3 Open-circuit Voltage Decay (OCVD) Analysis for Shunt Detection 44 2.5.4 Transient Absorption Spectroscopy (TAS) 45 2.5.5 Time-resolved Photoluminescence (TRPL) 46 2.5.5.1 Typical Setup: Pulsed (Transient) Excitation 46 2.5.5.2 Alternative Setup: Steady-state Excitation 46 2.5.5.3 Some Notes on Sample Preparation 49 2.5.6 Note on the Extension to Spatially Resolved Measurements 50 2.6 I–V Performance: Transient and Steady State 50 2.6.1 I–V Characterization 50 2.6.2 I–V Hysteresis 51 2.6.3 Stabilized Efficiency Measurement 52 2.6.4 Spectral Response/External Quantum Efficiency (SR/EQE) 52 2.6.5 V Oc Vs. Light Intensity Measurement 54 2.6.6 Effect of Parallel and Series Resistance R p 55 2.6.7 Effect of Saturation Current J 01 and J 02 56 2.6.8 Certification of PV Performance 57 2.6.9 Long-term Stability Measurement 58 References 59 3 Printable Processing Technologies for Perovskite Solar Cells 65 Daiyu Li, Anyi Mei, Yue Hu, and Hongwei Han 3.1 Introduction 65 3.2 Solution-Based Technologies 67 3.2.1 Spin Coating 67 3.2.2 Blade Coating 68 3.2.3 Slot-Die Coating 69 3.2.4 Bar Coating 72 3.2.5 Spray Coating 73 3.2.6 Inkjet Printing 75 3.2.7 Screen Printing 76 3.2.8 Chemical Bath Deposition 78 3.2.9 Soft-Cover Deposition 79 3.2.10 Brush Painting 80 3.3 Conclusion and Outlook 82 References 83 4 Mesoscopic Anodes and Cathodes for Printable Perovskite Solar Cells 89 Seigo Ito and Ryuki Tsuji 4.1 Introduction 89 4.2 Fabrication Methods 90 4.3 Comact Layer (TiO2) 92 4.4 Mesoporous Anodes (n-Type Semiconductor: TiO2 ,etc.) 95 4.5 Mesoporous Cathodes (NiO and Co3 O4) 99 4.6 Back-Contact Porous Carbon 100 4.7 Photovoltaic Measurements 102 4.8 Conclusion 103 References 103 5 Insulating Layers for Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells 105 Jian Zhang, Dongjie Wang, and Yuli Xiong 5.1 Introduction 105 5.2 ZrO2 -Insulating Mesoscopic Layers 106 5.3 Al2 O3 -Insulating Mesoscopic Layers 117 5.4 SiO2 -Insulating Mesoscopic Layers 121 5.5 Multilayer Insulating Mesoscopic Layers 124 5.5.1 Al2 O3 + ZrO2 124 5.5.2 Al2 O3 + NiO 126 5.5.3 ZrO2 + NiO 128 5.6 Conclusion and Perspective 130 References 132 6 Perovskite Materials and Perovskite Solar Cells 137 Maria Vasilopoulou, Abd Rashid B. Mohd Yusoff, and Mohammad K. Nazeeruddin 6.1 Perovskite Materials 137 6.1.1 3D Halide Perovskites 137 6.1.2 2D Halide Perovskites 142 6.1.3 Synthesis of Halide Perovskites 144 6.2 Compositional and Interfacial Engineering of Perovskite Solar Cells 147 6.2.1 Solvent Engineering 147 6.2.2 Cation Optimization 150 6.2.3 Halide Optimization 151 6.2.4 Stoichiometric and Nonstoichiometric Compositions 151 6.2.5 The Influence of Inorganic Cations on the Formation of Different Phases 153 6.2.6 Halide Segregation 155 6.2.7 Interface Engineering 155 6.2.8 Charge Transfer Dynamics 157 References 157 7 The Efficiency Progress in Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells 167 Xufeng Xiao, Wenhao Zhang, Qifei Wang, Wenjun Wu, and Yue Hu 7.1 Introduction 167 7.2 Solvent Engineering and Annealing 169 7.2.1 Solvent Engineering 169 7.2.2 Solvent Annealing 174 7.3 Composition Engineering 178 7.3.1 The A-Site Cation 178 7.3.2 The B-Site Cation and X-Site Anion 180 7.4 Additive Engineering 183 7.4.1 Functional Molecular Additives 183 7.4.2 Other Additives 187 7.5 Interfaces Engineering 190 7.5.1 Interface of Perovskite and Electron Transport Materials 191 7.5.2 Interface of Perovskite and Counter Electrode 193 7.6 Conclusion and Outlook 198 References 198 8 Stability Issues and Solutions for Perovskite Solar Cells 209 Deyi Zhang, Anyi Mei, and Hongwei Han 8.1 Substrate 210 8.2 Electron Transport Layer 210 8.3 Hole Transport Layer 212 8.4 Back Electrode 212 8.5 Encapsulant 215 8.6 Halide Perovskite Light Absorbing Layer 216 8.6.1 Thermal Stability 216 8.6.2 Phase Stability 217 8.6.3 Ambient Stability 218 8.6.4 Operational Stability 219 8.6.4.1 Degradation Pathways 219 8.6.4.2 Heat Management 222 8.6.4.3 Grain Boundary Modification 223 8.6.4.4 Interface Strengthening 223 8.6.4.5 Defect Degeneration 225 8.6.4.6 Reverse-bias Voltages 226 8.7 Summary 227 References 228 9 Manufacture, Modules, and Applications 237 Simone Meroni and Trystan Watson 9.1 Introduction 237 9.2 Manufacture 240 9.2.1 Screen Printing 240 9.2.1.1 Ink Properties 243 9.2.1.2 Mesh Characteristics 243 9.2.1.3 Gap Between Screen and Substrate 244 9.2.1.4 A Case Study: TiO2 245 9.2.2 Deposition of the Compact TiO2 246 9.2.3 Deposition of the Mesoscopic Layers 248 9.2.4 Deposition of Additional Interlayers 248 9.2.5 Infiltration of Perovskite 249 9.3 Modules 250 9.3.1 Designs 251 9.3.2 Optimization 253 9.3.2.1 A Simplified Approach 253 9.3.2.2 2D Poisson’s Equation 255 9.3.2.3 Carbon Cells and Contact Resistance 258 9.4 Applications 258 9.4.1 Modules Performance 258 9.4.2 Encapsulation and Outdoor Performance 259 9.4.3 Indoor Applications 261 9.5 Summary 262 References 263 10 Perspective 269 Xiayan Chen, Yue Hu, Anyi Mei, Yinhua Zhou, and Hongwei Han 10.1 Commercializing 269 10.2 Exceeding SQ Limit 270 10.3 Efficiency Breaking Out of SQ Limit 273 References 274 Index 277

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Book SynopsisOptical Imaging and Sensing Understand the future of optical imaging with this cutting-edge guide Optoelectronic devices for imaging and sensing are among the backbones of modern technology. Facilitating the mutual conversion of optical and electrical signals, they have applications from telecommunications to molecular spectroscopy, and their incorporation into photon-involved technologies is only growing. The rapid development of this field makes the need for a fully up-to-date introduction all the more critical. Optical Imaging and Sensing meets this need with a comprehensive guide to the novel materials and devices employed in optical imaging and sensing. Given the current revolution in new imaging materials, an introduction that fully incorporates the latest research is an indispensable tool for scientists and engineers in a huge range of fields. The technologies surveyed here promise to transform public security, 5G and next-generation wireless communication, clinical imaging, and many more. Optical Imaging and Sensing Readers will also find: Detailed discussion of materials including semimetallic graphene, semiconducting black phosphorous, and many more Discussion of devices from infrared photodetectors to nonlinear interferometers A thorough look forward to the future of the field Optical Imaging and Sensing is a useful reference for materials scientists, spectroscopists, semiconductor physicists, and engineers working in any field or industry involving optical imaging or sensing technology.Table of ContentsPreface ix 1 Introduction of Optical Imaging and Sensing: Materials, Devices, and Applications 1 Qimiao Chen, Hao Xu, and Chuan S. Tan 1.1 Optoelectronic Material Systems 1 1.1.1 Si Platform 1 1.1.2 Two-dimensional Materials and Their van der Waals Heterostructures 3 1.1.2.1 Graphene 3 1.1.2.2 Transition Metal Dichalcogenides 4 1.1.2.3 2D Heterostructures 5 1.2 Challenges and Prospect of Nano-optoelectronic Devices 5 1.2.1 III–V Compounds 6 1.2.2 Perovskites 7 1.2.3 Organic Optoelectronic Materials 7 References 8 2 2D Material-Based Photodetectors for Imaging 11 Wenshuo Xu, Zhuo Wang, and Andrew T. S. Wee 2.1 Introduction 11 2.2 Visible-Light Photodetectors 15 2.3 Infrared Photodetectors 21 2.4 Broadband Photodetectors 26 2.5 Plasmon-Enhanced Photodetectors 36 2.6 Large-Scale and Flexible Photodetectors 44 2.7 Summary 49 References 50 3 Surface Plasmonic Resonance-Enhanced Infrared Photodetectors 55 Boyang Xiang, Guiru Gu, and Xuejun Lu 3.1 Introduction 55 3.2 Brief Review of Basic Concepts of SPR and SPR Structures 56 3.2.1 Plasma Oscillations in Metals 56 3.2.2 Complex Permittivity and the Drude Model 56 3.2.3 Surface Plasmonic Waves at the Semi-infinite Dielectric and Metal Interface 57 3.2.4 Prism-Coupled Surface Plasmonic Wave Excitation 59 3.2.5 Surface Grating-Coupled Surface Plasmonic Wave Excitation 60 3.3 Surface Plasmonic Wave-Enhanced QDIPs 61 3.3.1 Two-Dimensional Metallic Hole Array (2DSHA)-Induced Surface Plasmonic Waves 61 3.3.2 2DSHA Surface Plasmonic Structure-Enhanced QDIP 64 3.4 Localized Surface Plasmonic Wave-Enhanced QDIPs 68 3.4.1 Localized Surface Plasmonic Waves 68 3.4.2 Near-Field Distributions 68 3.4.3 Nanowire Pair 69 3.4.4 Circular Disk Array for Broadband IR Photodetector Enhancement 71 3.5 Plasmonic Perfect Absorber (PPA) 72 3.5.1 Introduction to Plasmonic Perfect Absorber 72 3.5.2 Plasmonic Perfect Absorber-Enhanced QDIP 74 3.5.3 Broadband Plasmonic Perfect Absorber 76 3.5.4 2DSHA Plasmonic Perfect Absorber 76 3.6 Chapter Summary 76 References 78 4 Optical Resistance Switch for Optical Sensing 83 Shiva Khani, Ali Farmani, and Pejman Rezaei 4.1 Introduction 83 4.2 Graphene Optical Switch 85 4.2.1 dc Mode of the Gate Capacitor 87 4.2.2 AC Mode of the Gate Capacitor 89 4.3 Nanomaterial Heterostructures-Based Switch 93 4.3.1 Situation 1: n 2 L ≫ n 2 H 95 4.3.2 Situation 2: n 2 H ≫ n 2 l 96 4.3.3 Situation 3: n 2 H ≃ n 2 l 96 4.4 Modulation Characteristics 104 4.5 Summary 115 References 115 5 Optical Interferometric Sensing 123 Hailong Wang and Jietai Jing 5.1 Introduction 123 5.2 Nonlinear Interferometer 124 5.2.1 Experimental Implementation of Phase Locking 125 5.2.2 Quantum Enhancement of Phase Sensitivity 131 5.2.3 Enhancement of Entanglement and Quantum Noise Cancellation 136 5.3 Other Types of Nonlinear Interferometers 143 5.3.1 Nonlinear Sagnac Interferometer 143 5.3.2 Hybrid Interferometer with a Nonlinear FWM Process and a Linear Beam-splitter 151 5.3.3 Experimental Implementation of a Phase-Sensitive Parametric Amplifier 155 5.3.4 Interference-Induced Quantum-Squeezing Enhancement 160 5.4 Nonlinear Interferometric SPR Sensing 164 5.5 Summary and Outlook 173 References 173 6 Spatial-frequency-shift Super-resolution Imaging Based on Micro/nanomaterials 175 Mingwei Tang and Qing Yang 6.1 Introduction 175 6.2 The Principle of SFS Super-resolution Imaging Based on Micro/nanomaterials 177 6.3 Super-resolution Imaging Based on Nanowires and Polymers 178 6.4 Super-resolution Imaging Based on Photonic Waveguides 184 6.4.1 Label-free Super-resolution Imaging Based on Photonic Waveguides 184 6.4.2 Labeled Super-resolution Imaging Based on Photonic Waveguides 186 6.5 Super-resolution Imaging Based on Wafers 189 6.5.1 Principle of Super-resolution Imaging Based on Wafers 189 6.5.2 Label-free Super-resolution Imaging Based on Wafers 194 6.5.3 Labeled Super-resolution Imaging Based on Wafers 195 6.6 Super-resolution Imaging Based on SPPs and Metamaterials 197 6.6.1 SPP-assisted Illumination Nanoscopy 199 6.6.1.1 Metal–Dielectric Multilayer Metasubstrate PSIM 200 6.6.1.2 Graphene-assisted PSIM 202 6.6.2 Localized Plasmon-assisted Illumination Nanoscopy 203 6.6.3 Metamaterial-assisted Illumination Nanoscopy 204 6.7 Summary and Outlook 206 References 208 7 Monolithically Integrated Multi-section Semiconductor Lasers: Toward the Future of Integrated Microwave Photonics 215 Jin Li and Tao Pu 7.1 Introduction 215 7.2 Monolithically Integrated Multi-section Semiconductor Laser (MI-MSSL) Device 219 7.2.1 Monolithically Integrated Optical Feedback Lasers (MI-OFLs) 219 7.2.1.1 Passive Feedback Lasers (PFLs) 220 7.2.1.2 Amplified/Active Feedback Lasers (AFLs) 224 7.2.2 Monolithically Integrated Mutually Injected Semiconductor Lasers (MI-MISLs) 225 7.3 Electro-optic Conversion Characteristics 229 7.3.1 Modulation Response Enhancement 229 7.3.2 Nonlinearity Reduction 237 7.3.3 Chirp Suppression 238 7.4 Photonic Microwave Generation 238 7.4.1 Tunable Single-Tone Microwave Signal Generation 240 7.4.1.1 Free-Running State 240 7.4.1.2 Mode-Beating Self-Pulsations (MB-SPs) 242 7.4.1.3 Period-One (P1) Oscillation 244 7.4.1.4 Sideband Injection Locking 245 7.4.2 Frequency-Modulated Microwave Signal Generation 248 7.4.3 High-Performance Microwave Signal Generation Optimizing Technique 250 7.5 Microwave Photonic Filter (MPF) 254 7.6 Laser Arrays 256 7.7 Conclusion 259 Funding Information 261 Disclosures 261 References 261 Index 271

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Book SynopsisExplore the cutting-edge of neuromorphic technologies with applications in Artificial Intelligence In Neuromorphic Devices for Brain-Inspired Computing: Artificial Intelligence, Perception, and Robotics, a team of expert engineers delivers a comprehensive discussion of all aspects of neuromorphic electronics designed to assist researchers and professionals to understand and apply all manner of brain-inspired computing and perception technologies. The book covers both memristic and neuromorphic devices, including spintronic, multi-terminal, and neuromorphic perceptual applications. Summarizing recent progress made in five distinct configurations of brain-inspired computing, the authors explore this promising technology’s potential applications in two specific areas: neuromorphic computing systems and neuromorphic perceptual systems. The book also includes: A thorough introduction to two-terminal neuromorphic memristors, including memristive devices and resistive switching mechanisms Comprehensive explorations of spintronic neuromorphic devices and multi-terminal neuromorphic devices with cognitive behaviors Practical discussions of neuromorphic devices based on chalcogenide and organic materials In-depth examinations of neuromorphic computing and perceptual systems with emerging devices Perfect for materials scientists, biochemists, and electronics engineers, Neuromorphic Devices for Brain-Inspired Computing: Artificial Intelligence, Perception, and Robotics will also earn a place in the libraries of neurochemists, neurobiologists, and neurophysiologists.Table of Contents1: Two-terminal Neuromorphic Memristors 2: Spintronic Neuromorphic Devices 3: Multi-terminal Neuromorphic Devices with Cognitive Behaviors 4: Neuromorphic Devices based on Chalcogenide materials 5: Neuromorphic Devices Based on Organic materials 6: Neuromorphic Computing Systems with Emerging Devices 7: Neuromorphic perceptual Systems with Emerging Devices

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Book SynopsisOrganic Thermoelectrics Enables readers to understand the development and applications of organic thermoelectric conversion, including fundamentals and experimental breakthroughs Organic Thermoelectrics: From Materials to Devices introduces organic thermoelectric materials to devices in a systematic manner, covering the development of organic thermoelectric materials, followed by a discussion on the fundamental mechanism of thermoelectric conversion, design strategy, and advances in different materials, device fabrication, and characterizations of thermoelectric parameters. In Organic Thermoelectrics: From Materials to Devices, readers can expect to find detailed information on: Fundamentals of thermoelectric (TE) conversion, development of organic thermoelectric (OTE) fields and mechanisms, and basic physical processes in carrier transport and thermal transport for TE conversion Recent development and key strategies to develop p-type, n-type, and composite/hybrid OTE materials Basic mechanisms, fundamental requirements, and recent advances of doping for OTE applications, plus geometries and construction methods of OTE devices Theoretical and experimental advances in single molecular TE devices, together with the recent development in related detection methods Powered by worldwide innovative research results in the past ten years and strongly supported by many collaborators, Organic Thermoelectrics is a comprehensive reference on the subject and is invaluable for scientists and students in chemistry, materials, and engineering.Table of ContentsChapter 1. Introduction of organic thermoelectric materials and devices 1.1 Brief history of organic thermoelectrics materials 1.2 Thermoelectric effects 1.3 Thermoelectric parameters 1.4 Challenges and perspectives of OTE materials Chapter 2. Mechanism and theory of organic thermoelectric materials 2.1 Phenomenological approach to thermoelectrics 2.2 Charge transport mechanism 2.3 Phonon scattering and electron-phonon coupling 2.4 Trade-off Relationship in organic thermoelectric materials 2.5 Temperature dependent thermoelectric properties Chapter 3. P-type organic thermoelectric materials 3.1 Material category 3.2 Conducting polymers 3.3 Doped semiconductors 3.4 Molecular design strategy Chapter 4. N-type organic thermoelectric materials 4.1 Material category 4.2 Conducting polymers 4.3 Doped semiconductors 4.4 Molecular design strategy Chapter 5. Composite and hybrid thermoelectric materials 5.1 Material category 5.2 Organic-inorganic hybrid materials 5.3 Organic-organic composite materials 5.4 Energy filtering effect Chapter 6. Ionic thermoelectric materials and devices 6.1 Introduction of Soret effect 6.2 Modeling and devices 6.3 Optimization of ion thermoelectric performance 6.4 Perspectives Chapter 7. Doping engineering of organic thermoelectric materials 7.1 Doping method 7.2 Doping mechanism 7.3 Strategies of chemical doping 7.5 Conclusions Chapter 8. Organic thermoelectric devices 8.1 Device geometry 8.2 Thermoelectric generator and refrigerators 8.3 Multifunctional sensors and detectors Chapter 9. Single molecular thermoelectric devices 9.1 Introduction 9.2 Single molecular Seebeck effect 9.3 Single molecular Peltier effect 9.4 Perspectives Chapter 10. Measurement techniques of thermoelectric performance 10.1 Measurement of electrical conductivity 10.2 Measurement of Seebeck coefficient 10.3 Measurement of thermal conductivity 10.4 Determination of carrier concentration and density-of-states 10.5 Simultaneous measurement of key parameters

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Book SynopsisLiquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries An of-the-moment treatment of liquid electrolytes used in lithium metal batteries Considered by many as the most-promising next-generation batteries, lithium metal batteries have grown in popularity due to their low potential and high capacity. Crucial to the development of this technology, electrolytes can provide efficient electrode electrolyte interfaces, assuring the interconversion of chemical and electrical energy. The quality of electrode electrolyte interphase, in turn, directly governs the performance of batteries. In Liquid Electrolyte Chemistry, provides a comprehensive look at the current understanding and status of research regarding liquid electrolytes for lithium metal batteries. Offering an introduction to lithium-based batteries from development history to their working mechanisms, the book further offers a glimpse at modification strategies of anode electrolyte interphases and cathode electrolytic interphases. More, by discussing the high-voltage electrolytes from their solvents—organic solvents and ionic liquids—to electrolyte additives, the text provides a thorough understanding on liquid electrolyte chemistry in the remit of lithium metal batteries. Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries readers will also find: A unique focus that reviews the development of liquid electrolytes for lithium metal batteries State-of-the-art progress and development of electrolytes for lithium metal batteries Consideration of safety, focusing the design principles of flame retardant and non-flammable electrolytes Principles and progress on low temperature and high temperature electrolytes Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries is a useful reference for electrochemists, solid state chemists, inorganic chemists, physical chemists, surface chemists, materials scientists, and the libraries that supply them.Table of ContentsPreface ix 1 Lithium Metal Batteries 1 1.1 History 1 1.2 Types 2 1.2.1 Lithium–Oxygen Batteries 2 1.2.1.1 Working Mechanism of Li–O2 Batteries 2 1.2.1.2 Cathode Design of Li–O2 Batteries 4 1.2.1.3 Anode Protection of Li–O2 Batteries 8 1.2.2 Lithium–Sulfur Batteries 11 1.2.2.1 Conductive Matrixes for S Cathode 12 1.2.2.2 Modifying Separators of Li–S Batteries 15 1.2.2.3 Electrolyte Design for Li–S Batteries 17 1.2.2.4 Anode Protection for Li–S Batteries 18 1.2.3 Lithium–Selenium or –Tellurium Batteries 22 1.2.3.1 Lithium–Selenium Batteries 22 1.2.3.2 Lithium–Tellurium Batteries 29 1.2.4 Lithium–Iodine/Bromine Batteries 31 1.2.4.1 Lithium–Iodine Batteries 31 1.2.4.2 Lithium–Bromine Battery 36 1.2.5 TMO Batteries 37 1.3 Introductive Electrolytes 41 1.4 Prospects 44 References 45 2 Electrode–Electrolyte Interphase 55 2.1 Introduction 55 2.2 Solid Electrolyte Interphase 55 2.2.1 Concept and Roles 55 2.2.2 Types and Modification Strategies 56 2.3 Cathode Electrolyte Interphase 66 2.3.1 Concept and Roles 66 2.3.2 Types and Modification Strategies 66 References 75 3 Safe Electrolytes 79 3.1 Introduction 79 3.2 Flame-Retardant Mechanism 80 3.3 Flame-Retardant Electrolytes 80 3.4 Nonflammable Electrolytes 85 3.5 Prospects 93 References 95 4 High-Voltage Electrolytes 99 4.1 Introduction 99 4.2 The General Implications of High-Voltage Electrochemical Operation 101 4.2.1 Electrochemical Stability and Voltage Window for Electrolytes 101 4.2.2 Parasitic Electrolyte Oxidation and Formation of CEI 102 4.2.3 Metal Ion Diffusion, Surface Structural Reconstruction, and Mechanical Fracture of Cathode Materials 106 4.2.4 Instability of Other Cell Components at High Voltage 109 4.3 The Electrolyte Engineering for Various High-Voltage Cathodes 111 4.3.1 Nickel-Containing Layered Oxides 111 4.3.2 LiCoO2 116 4.3.3 Layered Li-Rich Cathodes 120 4.3.4 Other Cathode Materials 121 4.4 Conclusions 127 References 127 5 Extreme Temperature Electrolytes 133 5.1 Low-Temperature Electrolytes 133 5.1.1 The Limitations of Battery Performance at Low Temperature 133 5.1.2 The Improvement of Electrolytes 137 5.2 High-Temperature Electrolytes 143 5.2.1 The Limitations of Battery Performance at High Temperature 144 5.2.2 The Improvement of Electrolytes 148 5.3 Prospective 151 References 152 6 High-Concentration Electrolytes 157 6.1 High-Concentration Electrolytes 157 6.1.1 Concept, Design Strategies 157 6.1.2 Developments 158 6.2 Local High-concentration Electrolytes 168 6.2.1 Concept, Design Strategies 169 6.2.2 Developments 169 6.3 Prospects 178 References 178 7 Theoretical Basis for Electrolyte and Electrode Study 183 7.1 Redox Potential 183 7.1.1 Theoretical Basis 183 7.1.2 Solvents and Salts 185 7.1.3 Redox Potential of the Complex 186 7.2 Solvation Structure 187 7.2.1 Basic Theory 187 7.2.2 Influencing Factors and Implicit Solvent Model 188 7.2.3 Solvation Analysis 189 7.2.4 De-Solvation 190 7.3 Lithium Diffusion 192 7.3.1 Lithium Diffusion in SEI 192 7.3.2 Lithium Diffusion in Electrode Material 194 7.3.2.1 Calculation of Electrode Materials 194 7.3.2.2 Equilibrium Voltage 194 7.3.2.3 Ionic Mobility 195 7.4 Conclusion 195 References 196 8 Outlook 199 Index 203

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Book SynopsisRechargeable Ion Batteries Highly informative and comprehensive resource providing knowledge on underlying concepts, materials, ongoing developments and the many applications of ion-based batteries Rechargeable Ion Batteries explores the concepts and the design of rechargeable ion batteries, including their materials chemistries, applications, stability, and novel developments. Focus is given on state-of-the-art Li-based batteries used for portable electronics and electric vehicles, while other emerging ion-battery technologies are also introduced. The text addresses innovative approaches by reviewing nanostructured anodes and cathodes that pave new ways for enhancing the electrochemical performance. The first three chapters are dedicated to the general concepts of electrochemical cells, enabling readers to understand all necessary concepts for batteries from a single book. The following chapter covers the exciting applications of lithium-ion and sodium-ion batteries, while the subsequent chapters on Li-battery components include new types of anodes, cathodes, and electrolytes that have been developed recently, complemented by an overview of designing mechanically stable ion-battery systems. The last three chapters summarize recent progress in lithium-sulfur, sodium-ion, magnesium-ion and zinc and emerging ion-battery technologies. In Rechargeable Ion Batteries, readers can expect to find specific information on: Electrochemical cells, primary batteries, secondary batteries, recycling of batteries, applications of lithium and sodium batteries Next-generation cathodes, anodes and electrolytes for secondary lithium-ion batteries, which allow for improved performance and safety Multiphysics modeling for predicting design criteria for next generation ion-insertion electrodes Developments in lithium-sulfur batteries, sodium-ion batteries, and future ion-battery technologies Rechargeable Ion Batteries provides informative and comprehensive coverage of the subject to interested researchers, academics, and professionals in various fields, including materials science, electrochemistry, physical chemistry, mechanics, engineering, recycling and industry including the battery manufacturers and supply chain ancillaries, automotive, aerospace, and marine sectors, energy storage installers and environmental stakeholders. Readers can easily acquire a base of knowledge on the subject while understanding future developments in the field.Table of Contents1 INTRODUCTION TO ELECTROCHEMICAL CELLS 1.1 What are Batteries? 1.2 Quantities Characterizing Batteries 1.3 Primary and Secondary Batteries 1.4 Battery Market 1.5 Recycling and Safety Issues 2 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF PRIMARY BATTERIES 2.1 Introduction 2.2 The Early Batteries 2.3 The Zinc/Carbon Cell 2.4 Alkaline Batteries 2.4.1 Electrochemical Reactions 2.5 Button Batteries 2.6 Li Primary Batteries 2.7 Oxyride Batteries 2.8 Damage in Primary Batteries 2.9 Conclusions 3 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF SECONDARY BATTERIES 3.1 The Lead-Acid Battery 3.2 The Nickel-Cadmium Battery 3.3 Nickel-Metal Hydride (Ni-MH) Batteries 3.4 Secondary Alkaline Batteries 3.5 Secondary Lithium Batteries 3.6 Lithium-Sulfur Batteries 3.7 Conclusions 4 APPLICATIONS OF SECONDARY LI BATTERIES 4.1 Portable Electronic Devices 4.2 Hybrid and Electric Vehicles 4.3 Medical Applications 4.4 Application of Secondary Li Ion Battery Systems in Vehicle Technology 5 NEXT GENERATION CATHODES FOR SECONDARY LI-ION BATTTERIES 5.1 Energy Density and Thermodynamics 5.2 Materials Chemistry and Engineering of Voltage Plateau 5.3 Multitransition Metal Oxide Engineering for Capacity and Stability 5.4 Conclusion 6 NEXT-GENERATION ANODES FOR SECONDARY LI-ION BATTERIES 6.1 Introduction 6.2 Chemical Attack by the Electrolyte 6.3 Mechanical Instabilities during Electrochemical Cycling 6.4 Nanostructured Anodes 6.5 Thin Film Anodes 6.6 Nanofiber/Nanotube/Nanowire Anodes 6.7 Active/Less Active Nanostructured Anodes 6.8 Other Anode Materials 6.9 Conclusions 7 NEXT-GENERATION ELECTROLYTES FOR LI BATTERIES 7.1 Introduction 7.2 Background 7.3 Preparation and Characterization of Polymer Electrolytes 7.3.1 Preparation of Polymer Electrolytes 7.3.2 Characterization of Molten-Salt-Containing Polymer Gel Electrolytes 7.3.3 Characterization of Organic-Modified MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.4 Ion-Exchanged Li-MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.5 Mesoporous Silicate (MCM-41)-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.4 Conclusions 8 DESIGNING MECHANICALLY STABLE ION-BATTERY SYSTEMS 8.1 Introduction 8.2 Mechanics Considerations During Battery Life 8.3 Modeling Elasticity and Fracture During Electrochemical Cycling 8.4 Multiscale Phenomena and Considerations in Modeling 8.5 Particle Models of Coupled Diffusion and Stress Generation 8.6 Diffusional Processes During Cycling 8.7 Conclusions 9 DEVELOPMENTS IN LI-S BATTERIES 9.1 Introduction to Li-S Batteries 9.2 Electrochemical Principles 9.3 Sulfur Utilisation and Cycle Life 9.4 Potential Solutions to Outstanding Problems 9.5 Carbon Materials 9.6 Metal Oxide-Sulfur Composites 9.7 Polymers 9.8 Some New Developments 9.9 Conclusions 10 NA-ION BATTERIES 10.1 Introduction 10.2 Cathode Materials for Na-ion Batteries 10.3 Anode Materials for Na-ion Batteries 10.4 Electrolyte for Na-ion Batteries 10.5 Conclusions 11 NOVEL ION-BATTERY TECHNOLOGIES 11.1 Introduction 11.2 Mn-ion Batteries 11.3 K-ion Batteries 11.4 Other-ion Batteries 11.5 Conclusions

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Book SynopsisVan der Waals Ferroelectrics A comprehensive guide to a unique class of compounds with a variety of applications Since the discovery of graphene, there has been intensive interest in two-dimensional materials with similar electronic and industrial applications. The limitations on the usefulness of graphene itself, however, have powered the search for other materials with similar properties. One such class of materials, the phosphorous chalcogenides, has proven a particularly fruitful avenue for research, due to the favorable band gap and ferroelectric properties of these materials. Van der Waals Ferroelectrics provides, for the first time, a detailed overview of this highly relevant and sought-after class of materials, also known as transition metal chalcogenophosphates (TMCPs). Focusing on physical properties, the book explores the complex physics underlying these compounds as well as the unique characteristics that have driven their ever-increasing importance to the materials science community. Van der Waals Ferroelectrics readers will also find: Both computational and experimental perspectives on TCMP compounds In-depth discussion of the properties essential to the design and construction of devices like sensors, actuators, memory chips, and capacitors The first detailed review of the functional properties of TCMP compounds, such as ferrielectricity, electrostriction, and ionic conductivity Van der Waals Ferroelectrics is a useful reference for materials scientists, inorganic chemists, solid state chemists, solid state physicists, electrical engineers, and libraries supporting these professions.Table of ContentsIntroduction XI 1 Crystal Structure and Phase Transitions in Layered Crystals of Ternary Phosphorous Chalcogenides 1 1.1 Ferrielectric, Antiferroelectric, and Modulated Orderings in MM ′ P 2 X 6 (M – Cu, Ag; M ′ –In,Bi;X–S,Se) 1 1.2 Relaxor and Dipole Glassy States on the Phase Diagram of Cuinp 2 (se X S 1−x) 6 Mixed Crystals 3 1.2.1 XRD Investigations of CuInP 2 Se 6 4 1.2.2 Relaxor Phase in Mixed Cuinp 2 (s X Se 1−x) 6 Crystals 7 1.2.3 Dipolar Glass Phase in Mixed Cuinp 2 (s X Se 1−x) 6 Crystals 10 1.2.4 Influence of a Small Amount of Selenium to Phase-Transition Dynamics in CuInP 2 S 6 Crystals 12 1.2.5 Phase Diagram 13 1.3 Antiferromagnetic Ordering and Anisotropy of Magnetization in Multiferroics Cu(in 1−x Cr X)p 2 S 6 15 1.3.1 Temperature Dependence of the Magnetization 17 1.3.2 Field Dependence of the Magnetization and Anisotropy of Magnetization and Susceptibility 19 1.4 Magnetic Ordering in Mn 2 P 2 S 6 Crystal 21 1.5 Polar Layered Crystals of SnP 2 S 6 Type 30 References 34 2 Electronic Band Structure 41 2.1 Chemical Bonding in P 2 S(Se) 6 Structural Groups 41 2.2 Hybridization of the Electronic Valence Orbitals and Structural Stability of MM ′ P 2 S(Se) 6 -Type Compounds 43 2.3 Second-Order Jahn–Teller Effect and Dipole Ordering in Cu(Ag)InP 2 S(Se) 6 Crystals with d 10 Cu + and Ag + Cations 63 2.4 Second-Order Jahn–Teller Effect and Phase Transitions in Cu(Ag)BiP 2 S(Se) 6 Crystals with a Stereoactive Electronic Lone Pair of Bi 3+ 79 References 85 3 Optical Properties of MM ′ P 2 S(Se) 6 Crystals 95 3.1 DFT Calculated Electronic Band Structures and Optical Parameters 95 3.2 Temperature Dependence of the Optical Absorption for Mn 2 P 2 S 6 , AgInP 2 S 6 , CuInP 2 S(Se) 6 , and CuCrP 2 S 6 ,SnP 2 S 6 Layered Crystals 103 3.3 Appearance of Dipole Glassy State in the Edge Optical Absorption of Cuinp 2 (se X S 1−x) 6 Mixed Crystals 121 References 127 4 Phonon Spectra of Layered MM ′ P 2 S(Se) 6 Crystals 131 4.1 DFT Calculated Phonon Spectra in Different Phases 131 4.2 Raman Spectroscopy of CuInP 2 S 6 Crystal Across Ferrielectric Phase Transition 144 4.3 Phonon Spectra of Cuinp 2 (se X S 1−x) 6 Mixed Crystals 151 4.4 Anisotropy of Thermal Conductivity Temperature Dependence in Cu(Ag)In(Bi)P 2 S(Se) 6 Layered Crystals 160 4.5 Heat Capacity Anomalies at Dipole and Magnetic Ordering in CuInP 2 S(Se) 6 and CuCrP 2 S 6 Crystals 180 4.6 Spin–Phonon Coupling in Mn 2 P 2 S 6 Crystal 186 References 196 5 Semiconductor to Metal Transitions in SnP 2 S 6 -and Sn 2 P 2 S 6 -Type Compounds 201 5.1 Layered GeP 2 S 6 ,GeP 2 Se 6 ,GeP 2 Te 6 ,SnP 2 S 6 ,SnP 2 Se 6 , and SnP 2 Te 6 Polar Crystals with Pressure- or Chemical Composition-Induced Semiconductor–Metal Transition 201 5.2 Pressure-Induced Metal State in Sn 2 P 2 S 6 and Sn 2 P 2 Se 6 Compounds 208 5.3 DFT Calculated Transformation of Electron and Phonon Spectra at Transition into Polar Metal State 211 References 220 6 Dielectric and Ferroelectric Properties of Layered Phosphorus Chalcogenide Crystals 223 6.1 Anisotropy Effects in Thick-Layered CuInP 2 S 6 and CuInP 2 Se 6 Crystals 223 6.2 Dipole Glass State in Cu(in X Cr 1−x)p 2 S 6 Crystals 226 6.2.1 Phase Transitions in CuCrP 2 S 6 and CuIn 0.1 Cr 0.9 P 2 S 6 Crystals 227 6.2.2 Inhomogeneous Ferrielectrics 228 6.2.3 Dipole Glass State in Mixed Cuin X Cr 1−x P 2 S 6 Crystals 234 6.2.4 Phase Diagram of the Mixed Cuin X Cr 1−x P 2 S 6 Crystals 236 6.3 Nonlinear Dielectric Response of Layered (Ag,Cu)(In,Cr)P 2 S 6 Crystals 237 6.4 Dielectric Spectroscopy of CuBiP 2 Se 6 Crystals 244 6.4.1 Antiferroelectric Phase Transition 244 6.4.2 Freezing Phenomena 246 References 248 7 Ionic Conductivity and Low-Frequency Noise Spectroscopic Studies 251 7.1 Ionic Conductivity Investigations in CuInP 2 S 6 and CuIn 1+δ P 2 S 6 Crystals 251 7.2 Conductivity Spectroscopy of Aginp 2 (se X S 1–x) 6 and (cu X Ag 1–x)crp 2 S 6 Crystals 252 7.3 Low-Frequency Noise Spectroscopy of Layered CuInP 2 S 6 253 7.3.1 Intrinsic Noise Types 254 7.3.2 Experimental Techniques for Noise Determination 255 7.3.3 Noise Spectroscopy in Materials Science 256 7.3.4 Brief Overview of Low-Frequency Noise Spectroscopic Studies of CuInP 2 S 6 256 7.4 Electrical Conductivity of Layered Cuinp 2 (s X Se 1−x) 6 Crystals 258 References 259 8 Ultrasonic and Piezoelectric Studies of Phase Transitions in Two-Dimensional CuInP 2 S 6 -Type Crystals 263 8.1 Ultrasonic Investigation of Phase Transition in CuInP 2 S 6 Crystals 263 8.2 Piezoelectric and Ultrasonic Investigations of Mixed (Ag,Cu)InP 2 (S,Se) 6 Layered Crystals 265 8.3 Ultrasonic Spectroscopy of Quasi Two-dimensional Cuinp 2 (se X S 1−x) 6 Mixed Crystals 268 8.4 Piezoelectric and Elastic Properties of Layered Materials of Cu(In,Cr)P 2 (S,Se) 6 System 270 References 272 9 Nano Scale Investigations, Domain Structure, and Switching Processes of Low-Dimensional Ferroelectric Layered Chalcogenides 275 9.1 Ferrielectric State in Few Layer or Monolayer CuInP 2 S 6 Samples 275 9.2 Bright Domain Walls in CuInP 2 Se 6 Crystals 283 9.3 Antisite Defects in Layered Multiferroic CuCr 0.9 In 0.1 P 2 S 6 287 References 291 10 Phenomenological Description of Soft Phonon Spectra, Phase Diagrams, and Domain Morphology of Low-Dimensional Ferroelectric Layered Chalcogenides 295 10.1 Brief Overview 295 10.2 Spatially Modulated Incommensurate Phases and Soft Phonon Dispersion in Ferroelectric Layered Chalcogenides 296 10.2.1 Landau–Ginzburg–Devonshire-Free Energy Functional and Lagrange Function 297 10.2.2 The Stability of Spatially Modulated Phases in Ferroelectric Chalcogenides 301 10.2.3 Analytical Description of the Soft Phonon Dispersion 302 10.2.4 Analysis of the Critical Points in the Soft Phonon Spectra 305 10.2.5 The Behavior of Soft Acoustic Phonons in the Vicinity of Critical Wave Vectors 306 10.2.6 Elastic Softening of the Sound Velocity 307 10.2.7 Soft Phonon Dispersion in Ferroelectric Chalcogenides: Comparison with Experiment 308 10.2.8 Temperature Dependence of Static Dielectric Susceptibility 309 10.3 Phase Diagrams with Incommensurate Phases and Domain Splitting in Thin Films of Ferroelectric Layered Chalcogenides 311 10.3.1 Approximate Analytical Solution of the Linearized Euler–Lagrange Equations 313 10.3.2 Phase Equilibrium and Domain Structure Temperature Evolution 314 10.4 Phenomenological Description of Phase Diagrams and Complex Domain Morphology of Ferroelectric Layered Chalcogenide Nanoparticles 317 10.4.1 Reconstruction of CIPS Thermodynamic Potential from Experiments 318 10.4.2 Temperature-Stress Phase Diagrams of Bulk CuInP 2 S 6 319 10.4.3 The Stress-Induced Phase Transitions in CuInP 2 S 6 Nanoparticles of Different Shapes 322 10.4.4 Labyrinthine Domains in CIPS Nanoparticles 325 10.4.5 Analytical Description of Complex Domain Morphology in Ferroelectric Layered Chalcogenide Nanoparticles 327 10.5 Phenomenological Description of Bright-Contrast and Dark-Contrast Domain Walls in Ferroelectric–Antiferroelectric Layered Chalcogenides 332 10.5.1 LGD–FSM Approach 332 10.5.2 Phase Diagrams of the Order Parameters 335 10.5.3 Bright and Dark Domain Walls 337 10.5.4 Comparison with Experiment 339 10.6 Conclusions 341 10. A Appendix A: Analytical Expressions for the Soft Phonon Frequency 342 10. B Appendix B: Soft Acoustic Mode Behavior in the Vicinity of Critical Wave Vectors 345 10. C Appendix C: Temperature Dependence of the Static Dielectric Susceptibility 346 10. D Appendix D: Derivation of PE-SDFE Transition Temperature for Spherical Nanoparticles 347 10. E Appendix E: Derivation of PE-PDFE Transition Temperature for Spherical Nanoparticles 349 References 352 11 Application Examples of Ferroelectric 2D Layered Indium Copper Thiophosphate Chalcogenide, CuInP 2 S 6 359 11.1 The Ferroelectric (FE) Family of Metal (M) Hypo(tio/seleno)diphosphates 359 11.2 Piezoelectric and Pyroelectric Activity and Electrocaloric Effectivity of CuInP 2 S 6 Nanoflakes 360 11.2.1 Piezoactivity of CuInP 2 S 6 Nanoflakes 360 11.2.2 Pyroactivity of CuInP 2 S 6 Nanoflakes 360 11.2.3 Electrocaloric Performances of CuInP 2 S 6 Nanoflakes 361 11.3 Promises of 2D Layered CuInP 2 S 6 for Ferroelectric Field Effect Transistors and Memory Applications 361 11.3.1 Theoretical Considerations and Evaluations 362 11.3.2 Experimental Investigations and Propositions 362 11.3.3 Negative Capacitance Field Effect Transistors Based on Two-Dimensional van der Waals Heterostructures 364 11.4 Conclusions 365 References 366 Index 371

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Book SynopsisUV-Visible Photocatalysis for Clean Energy Production and Pollution Remediation Comprehensive resource detailing fundamentals of photocatalysis, clean energy production, and pollution treatment, as well as recent developments in each field UV-Visible Photocatalysis for Clean Energy Production and Pollution Remediation: Materials, Reaction Mechanisms, and Applications provides current developments in photocatalytic reactions for both inorganic and organic-based materials which operate under UV-visible light or sunlight irradiation, with a focus on the fundamentals and applications in clean energy production and pollution remediation. The text curates interesting and important research surrounding photocatalysis for hydrogen production, including the fundamentals and photocatalytic remediation of our better environments, which covers the reduction of CO2 and fixation of N2 with H2O under UV-visible light or sunlight irradiation. The first chapter of the book introduces these diverse subjects by including a brief history of the developments of photocatalysis research since around the 1960s. Specific sample topics covered in this book include: Visible-light active photocatalysts in pollutant degradation and conversion with simultaneous hydrogen production Application of S-scheme heterojunction photocatalyst and the role of the defects on the photocatalytic reactions on ZnO Strategies for promoting overall water splitting with particulate photocatalysts via single-step visible-light photoexcitation Polymeric carbon nitride-based materials in aqueous suspensions for water photo-splitting and photo-reforming of biomass aqueous solutions to generate H2 Visible light-responsive TiO2 thin film photocatalysts for the separate evolution of H2 and O2 from water For chemists, scientists, physicists, and engineers across a wide range of disciplines, UV-Visible Photocatalysis for Clean Energy Production and Pollution Remediation is an essential resource for understanding current developments in photocatalytic reactions on both inorganic and organic-based materials which operate under UV-visible light or sunlight irradiation.Table of Contents1. Introduction to integrate the diverse subjects and a brief history Part I: Fundamentals of Visible Light-driven photocatalysis and Photocatalytic Splitting of Water to Produce H2: 2. Photocatalytic reaction mechanism 3. Photoctatalytic activity of TiO2 materials with iron and other metal species as phase-composition controllers 4. Modification of photocatalyst to achieve high performance 5. Conjugated polymer photocatalytic material 6. Highly efficient photocatalytic H2 production from H2O 7. Semiconducting photocatalytic materials to produce H2 from H2O under visible light irradiation 8. High efficient photocatalytic H2 production from H2O 9. Photocatalytic H2 evolution from H2O over g-C3N4 10. Efficient photocatalytic H2 production from H2O 11. Photocatalytic H2 production from H2O 12. Theoretical studies of photocatalytic H2 production from H2O 13. Photo-induced super-hydrophilicity on TiO2 surfaces; reaction mechanism and applications Part II: Photocatalytic Reduction of CO2 with H2O and Fixation of N2: 14. Photocatalytic reduction of CO2 with H2O 15. Photocatalytic reduction of CO2 with H2O 16. Mechanistic study of photocatalytic CO2 reduction 17. Photocatalytic reduction of CO2 with H2O 18. Photocatalytic reduction of CO2 with H2O 19. Photocatalytic reduction of CO2 with H2O 20. Photocatalytic reduction of CO2 with H2O 21. Photocatalytic reduction of CO2 on reduced graphene oxide/TiO2 22. Photocatalytic activity of Pt/g-C3N4 nanosheets for solar fuel production 23. Photocatalytic fixation of N2 24. Photocatalytic fixation of N2 25. Photocatalytic fixation of N2 Part III. Photocatalytic Remediation and Selective Formation of Useful Molecules: III-1 Photocatalytic degradation of organic pollutants in water 26. Photocatalytic degradation of polluted compounds 27. Photocatalytic degradation over TiO2-based photocatalysts 28. Photocatalytic degradation of aromatic compounds 29. Photocatalytic degradation of polluted compounds 30. Photocatalytic degradation 31 Photocatalytic degradation of polluted compounds 32. Photocatalytic purification of polluted water 33. Photocatalytic degradation of polluted compounds III-2. Photocatalytic degradation to produce useful molecules from alcohols and biomass wastes 34. Selective oxidation of alcohols using carbon nitride photocatalysts 35. Photocatalytic selective reaction III-3. Photocatalytic degradation in polluted compounds in air 36. Photocatalytic air purifying III-4. Photocatalytic degradation reaction and the role of surface active sites 37. Photocatalytic reaction on ZnO and the role of the defects 38. Quantum dot-photocatalyzed reactions

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Book SynopsisWearable Solar Cells Understand a groundbreaking new energy technology Solar energy is one of the most important paths to a sustainable future. In recent years, extensive research and development has begun to produce wearable solar cells, whose novel planar and fiber format gives them enormous flexibility and a wide range of potential uses. The possibility of a solar energy source that can be fitted to the human body promises to become an extraordinary tool for meeting various kinds of personal energy needs. Wearable Solar Cells: Mechanisms, Materials, and Devices serves as a comprehensive introduction to this cutting-edge technology and its applications. Recent research pointing towards fiber-format solar cells as a bold new frontier is summarized and explored. The result is an essential resource for both experienced researchers and newcomers to the field. Wearable Solar Cells readers will also find: Close coverage of integrated energy harvesting and storage devices Detailed discussion of dye-sensitized solar cells, polymer solar cells, perovskite solar cells, and more An authorial team with decades of combined research experience Wearable Solar Cells is ideal for materials scientists, polymer chemists, electrical engineers, solid-state physicists, and advanced students interested in these and related topics.Table of ContentsAbout the Authors ix Preface xi 1 Introduction 1 1.1 Development of Wearable Solar Cells 1 1.2 Characteristics of Fiber-Shaped Solar Cells 2 1.3 Functionalization and Integration 2 1.4 Applications of Wearable Solar Cells 3 References 4 2 Working Mechanisms of Solar Cells 7 2.1 Introduction 7 2.2 Working Mechanism and Efficiency Limitation for Solar Cells 8 2.2.1 Detailed Balance Limitation 12 2.2.2 Drift-Diffusion Model 14 2.2.3 Equivalent Circuit Model 15 2.3 Working Mechanism of Dye-Sensitized Solar Cells 16 2.4 Working Mechanism of Polymer Solar Cells 18 2.5 Working Mechanism of Perovskite Solar Cells 19 2.6 Comparison of Solar Cells for Flexible and Wearable Application 22 2.7 Conclusions 24 References 25 3 Flexible Film Solar Cells 31 3.1 Overview of Flexible Film Solar Cells 31 3.2 Flexible Transparent Conductive Electrodes 31 3.2.1 Metal Oxides 32 3.2.2 Conductive Polymers 33 3.2.3 Carbon Nanomaterials 34 3.2.3.1 Graphene 34 3.2.3.2 Carbon Nanotube 37 3.3 Fabrication Techniques of Flexible Film Solar Cells 39 3.3.1 Spin Coating 40 3.3.2 Blade Coating 41 3.3.3 Slot-Die Coating 43 3.3.4 Screen Printing 43 3.3.5 Roll-to-Roll System 45 3.4 Flexible Organic Solar Cells 46 3.5 Flexible Dye-Sensitized Solar Cells 50 3.6 Flexible Perovskite Solar Cells 53 3.7 Summary and Perspective 56 References 58 4 Flexible Fiber Electrodes 67 4.1 Introduction 67 4.2 Metal Wires 68 4.2.1 Titanium 68 4.2.2 Stainless Steel 70 4.2.3 Other Metals 70 4.3 Polymer Fibers 71 4.4 Carbon-Based Fiber 73 4.4.1 Carbon Fiber 73 4.4.2 Carbon Nanotube Fiber 75 4.4.3 Graphene Fiber 83 4.5 Functional Fibers 87 4.6 Summary and Perspectives 88 References 89 5 Fiber-Shaped Dye-Sensitized Solar Cells 95 5.1 Introduction 95 5.2 Twisting Structure 97 5.2.1 Photoanode 97 5.2.2 Counter Electrode 101 5.2.3 Electrolyte 104 5.3 Coaxial Structure 105 5.4 Functionalization and Integration 106 5.4.1 Functional Fiber-Shaped DSSCs 107 5.4.2 Integrated Fiber-Shaped DSSCs 109 5.5 Summary and Prospects 114 References 115 6 Fiber Polymer Solar Cells 121 6.1 Overview of Polymer Solar Cells 121 6.2 Overview of Fiber-Shaped Polymer Solar Cells 123 6.2.1 Fiber-Shaped Polymer Solar Cells with Twisting Structure 123 6.2.2 Fiber Polymer Solar Cells with a Coaxial Structure 127 6.3 Polymer Solar Cell Textiles 129 6.4 Summary and Perspective 130 References 132 7 Fiber Perovskite Solar Cells 135 7.1 Introduction 135 7.2 Perovskite Photoactive Materials and Solar Cells 136 7.3 Deposition of Perovskite Layer on Fiber/Wire Surfaces 139 7.3.1 Perovskite Formation Strategies 139 7.3.2 Dip-Coating Process 142 7.3.3 Cathodic Electrodeposition 145 7.3.4 Thermal Evaporation 145 7.3.5 Electrode-Spinning 146 7.4 Charge Transport Layers for Fiber Perovskite Solar Cells 147 7.5 Electrode Materials for Fiber Perovskite Solar Cells 149 7.6 Stretchable and Wearable Fiber Perovskite Solar Cells 149 7.7 Summary and Perspectives: Challenges for Fiber Perovskite Solar Cells 151 References 153 8 Fiber-Shaped Integrated Device 159 8.1 Overview of Integrated Device Based on Solar Cells 159 8.2 Overview of Fiber-Integrated Device Based on Solar Cells 161 8.2.1 Fiber-Shaped Integrated Device Based on Solar Cells and Supercapacitors 161 8.2.2 Fiber-Shaped Integrated Device Based on Solar Cell and Lithium-Ion Battery 164 8.2.3 Fiber Integrated Device Based on Nanogenerator and Solar Cell 165 8.2.4 Fiber-Based Integrated Textiles 167 8.3 Summary and Perspective 171 References 172 9 Novel Interfaces in Wearable Solar Cells 175 9.1 Introduction 175 9.2 Interfacial Charge Transfer 176 9.2.1 Charge Transfer Within Fiber Electrode 176 9.2.2 Charge Transport at the Active Material/Fiber Electrode Interface 178 9.3 Charge Separation 182 9.3.1 Charges Separation Between Photoactive/Electron Transport Materials 182 9.3.2 Charge Separation Based on an Intermediate Layer 185 9.4 Interface and Device Performances 186 9.4.1 Interfaces in Different Device Structures 186 9.4.2 Interfacial Stability and the Influence on Solar Cell Performance 189 9.5 Interface of Functional Wearable Solar Cells 190 9.6 Interfaces for Encapsulation 193 9.6.1 Polymer Tubes 193 9.6.2 Gel Electrolytes 193 9.6.3 Polymer Coatings 196 9.7 Summary and Outlook 196 References 197 10 Textile Solar Cells 201 10.1 Introduction 201 10.2 Textile Solar Cell Structures 202 10.2.1 Incorporation of Planar Solar Cells on Textile Substrate 203 10.2.2 Strip-Shaped Solar Cells 206 10.2.3 Textile Electrode 208 10.2.4 Textile Solar Cells Based on Fiber-Shaped Solar Cells 210 10.2.5 Interlaced Fiber Electrodes 211 10.3 Weaving Patterns and Incidence Angle for Textile Solar Cells 213 10.4 Mechanics and Breathability of Textile Solar Cells 216 10.5 Encapsulation Structure and Materials for Textile Solar Cells 218 10.6 Application of Textile Solar Cells 220 10.7 Summary and Perspectives 222 References 222 11 Summary and Outlook 227 11.1 Introduction 227 11.2 Development of Planar Solar Cells for Wearable Applications 227 11.3 Performance Improvement of Fiber and Textile Solar Cells 229 11.4 Continuous Production of Fiber and Textile Solar Cells 230 11.5 Potential Applications of Fiber and Textile Solar Cells 231 References 232 Index 235

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Book SynopsisTitanium Carbide MXenes Discover the future of solar energy with this introduction to an essential new family of materials MXenes are a recently-discovered family of two-dimensional organic compounds formed from transition metal carbides. Their unique properties, such as high stability and electron conductivity, have made them a sought-after commodity with many industrial applications in cutting-edge industries. In particular, titanium carbide MXenes look poised to have significant applications in the solar energy industry, with potentially revolutionary consequences for the sustainable energy future. Titanium Carbide MXenes offers a thorough and accessible introduction to this family of compounds and their possible applications. It begins by surveying the fundamentals of the MXene groups, before characterizing titanium carbide MXenes and their processes of synthesis. It then moves on to discuss applications, current and future. The result is a must-read for researchers and professionals looking to synthesize and construct these materials and apply them in sustainable industry. Titanium Carbide MXenes readers will also find: Detailed treatment of MXenes including nitrides composites, perovskites composites, and more Discusses applications in photocatalytic CO2 reduction, hydrogen production, water splitting, and more Roughly 100 figures illustrating key concepts Titanium Carbide MXenes is a must-have for materials scientists, catalytic chemists, and scientists in industry.Table of ContentsPreface xi 1 Introduction to Titanium Carbide (Ti3C2) MXenes for Energy and Environmental Applications 1Muhammad Tahir 1.1 Introduction 1 1.2 Layout of the Book 4 2 Fundamentals, Properties, and Characteristics of Titanium Carbides MXenes (Ti3C2Tx) 9Areen Sherryna and Muhammad Tahir 2.1 Introduction 9 2.2 Fundamentals of MXene 10 2.3 Photocatalytic Attributes of MXene 17 2.4 Conclusion and Future Perspectives 24 3 Synthesis and Characterization of Titanium Carbide (Ti3C2) MXenes 33Azmat Ali Khan, Muhammad Tahir, and Nazish Khan 3.1 Introduction 33 3.2 Different Synthesis Techniques of MXene 35 3.3 Characterization of MXenes 46 3.4 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 50 3.5 Raman Spectroscopy and Photoluminescence (PL) 50 3.6 Conclusions 51 4 Synthesis and Characterization of TiC MXene-Based Composites for Energy Storage and Conversion 57Azmat A. Khan, Muhammad Tahir, Areen Sherryna, Muhammad Madi, Abdelmoumin Y. Zerga, Nazish Khan, and Naveen Kumar 4.1 Introduction 57 4.2 Synthesis of TiC-Based Composites 58 4.3 Characterization of Ti3C2-Based Composites 69 4.4 Conclusion 82 5 Titanium Carbide (TiC) MXene-Based Titanium Dioxide Composites for Energy and Environment Applications 87Riyadh R. Ikreedeegh and Muhammad Tahir 5.1 Introduction 87 5.2 Recent Developments in TiC-Based TiO2Composites 88 5.3 TiC-Based TiO2 Composite for CO2 Reduction 96 5.4 TiC-Based TiO2 Composite for Hydrogen Production 100 5.5 TiC-Based TiO2 Composite for Degradation 102 6 Titanium Carbide (TiC) MXene-based Graphitic Carbon Nitride Composites for Energy and Environment Applications 115Abdelmoumin Y. Zerga and Muhammad Tahir 6.1 Introduction 115 6.2 Principle of Photocatalysis for Using MXene/g-C3N4 Composites 116 6.3 Applications of TiC MXene-based Carbon Nitride for H2 Evolution 118 6.4 Conclusions 127 7 Titanium Carbide MXene-Based MOF Composites for Energy and Environment Applications 133Animesh T. Partho, Muhammad Tahir, and Naveen Kumar 7.1 Introduction 133 7.2 Overview of MXenes and MOFs for Photocatalytic Applications 135 7.3 Photocatalytic Hydrogen Production 144 7.4 Photocatalytic Degradation Application 153 7.5 Photocatalytic CO2 Reduction Application 156 7.6 Conclusion and Outlook 158 8 Titanium Carbide (TiC) MXene-Based Layered Double Hydroxide (LDH) Composites for Energy and Environment Applications 169Azmat A. Khan, Muhammad Tahir, and Nazish Khan 8.1 Introduction 169 8.2 Basic Principles of Energy Storage and Conversion 170 8.3 Properties of TiC MXene 175 8.4 Properties of LDH 176 8.5 Structural and Optical Properties of LDH/TiC MXene 177 8.6 LDH-Based TiCMXene Composite Applications 179 8.7 Photocatalytic CO2 Reduction Application 185 8.8 Photocatalytic Degradation Application 187 8.9 Conclusions and Future Recommendations 189 9 Titanium Carbide MXene-Based Perovskites Composites for Energy and Environment Applications 193Mohamed Madi, Muhammad Tahir, and Naveen Kumar 9.1 Introduction 193 9.2 Properties and Application of Perovskite 194 9.3 Principle of Photocatalysis Using MXene/Perovskite Composite 195 9.4 Applications of TiC MXene-Based Perovskite Composite for CO2 Reduction 197 9.5 Applications of TiC MXene-Based Perovskite Composite for Degradation 199 9.6 Prospects and Challenges 201 9.7 Conclusions 202 10 Titanium Carbide (Ti3C2) Based MXenes for Energy Storage Applications 207Ebrima Ceesay, Shamaila Fatima, Muhammad Z. Iqbal, and Syed Rizwan 10.1 Introduction 207 10.2 Requirements for Energy Storage 208 10.3 Classification of MXenes 209 10.4 Synthesis of Titanium and Vanadium Carbide MXenes 212 10.5 Typical Characterization of MXenes 213 10.6 Electrochemical Energy Storage (EES) Devices 219 10.7 Thermodynamic and Cycle Stability of MXenes 224 10.8 Future Recommendations 226 10.9 Summary 227 Acknowledgments 227 References 228 Index 239

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Book SynopsisAn Introduction to Redox Polymers for Energy-Storage Applications Presents a well-founded introduction to the field or Redox Polymers, with didactical features like summary boxes and a Q&A sections An Introduction to Redox Polymers for Energy-Storage Applications discusses fundamental aspects related to polymer-based batteries, such as types of batteries, their historic development, design and synthesis criteria of the active material, and summarizes the various types of redox polymers and their applications. Each chapter contains learning objectives, summary boxes, and questions to allow for efficient exam preparation. In An Introduction to Redox Polymers for Energy-Storage Applications, readers will find detailed information on: Fundamental aspects of redox-active polymers, along with their historical classification, taking the key applications of the materials into account Energy-storage devices, containing polymers as the electrode active materials, and specific material requirements for the desired applications Classification of redox-active polymers, e.g., according to the nature of the actual redox-active moieties, their backbone structure, or topology Electrical conductivity of conjugated polymers, covering their most prominent representatives (polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyacetylene) An Introduction to Redox Polymers for Energy-Storage Applications also covers the synthesis and applications of these materials, making it an excellent book for graduates, PhD students, and professionals who are starting in this field.Table of Contents1. Introduction and History: Polymers and Batteries 2. Polymer-based Batteries 3. Synthesis of Redox Polymers 4. Conductive Polymers, as Active Materials 5. Sulfur-containing Polymers, as Active Materials 6. Radical-containing Polymers, as Active Materials 7. Carbonyl-containing Polymers, as Active Materials 8. Nitrogen-containing Polymers, as Active Materials 9. Metal-containing Polymers, as Active Materials 10. Redox-active Inorganic Polymers 11. Exam Preparation: Questions and Answers

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Book SynopsisMagnetic Nanoparticles Learn how to make and use magnetic nanoparticles in energy research, electrical engineering, and medicine In Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Applications, a team of distinguished engineers and chemists delivers an insightful overview of magnetic materials with a focus on nano-sized particles. The book reviews the foundational concepts of magnetism before moving on to the synthesis of various magnetic nanoparticles and the functionalization of nanoparticles that enables their use in specific applications. The authors also highlight characterization techniques and the characteristics of nanostructured magnetic materials, like superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometry. Advanced applications of magnetic nanoparticles in energy research, engineering, and medicine are also discussed, and explicit derivations and explanations in non-technical language help readers from diverse backgrounds understand the concepts contained within. Readers will also find: A thorough introduction to magnetic materials, including the theory and fundamentals of magnetization In-depth explorations of the types and characteristics of soft and hard magnetic materials Comprehensive discussions of the synthesis of nanostructured magnetic materials, including the importance of various preparation methods Expansive treatments of the surface modification of magnetic nanoparticles, including the technical resources employed in the process Perfect for materials scientists, applied physicists, and measurement and control engineers, Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Applications will also earn a place in the libraries of inorganic chemists.Table of Contents1 Introduction to Magnetic Materials 1.1 Theory and Fundamentals of Magnetization 1.2 Types of Magnetism 1.3 Extrinsic and Intrinsic Characteristics of Magnetic Materials 2 Types and Characteristics of Magnetic Materials 2.1 Introduction 2.2 Soft and Hard Magnetic Materials 2.3 Hysteresis Loop 2.4 Magnetic Characteristic Measurements 2.5 Magnetic Losses 3 Insights into the Synthesis of Nanostructured Magnetic Materials 3.1 Introduction 3.2 The Synthesis Process of Magnetic Nanoparticles 3.3 The Importance of the Synthesis and/or Preparation Methods 3.4 Dependency of Particle Size and Shape on the Synthesis Route 3.5 Questions Related to the Selected Synthesis Route 3.6 Dependency of Magnetic Behaviors on Particle/Grain Size 3.7 Dependency of Magnetic Behaviors on Particle/Grain Shape 3.8 Introduction to Wet-Chemical Synthesis Route 3.9 Introduction to Solid-state Routes to Synthesize Magnetic Nanoparticles 3.10 Some Methods for Extraction of Iron Oxide Nanoparticles from Industrial Wastes 4 Surface Modification of Magnetic Nanoparticles 4.1 Introduction 4.2 Employed Technical Resources for Surface Modification 4.3 Surface Modification of Magnetic Nanoparticles with Surfactant 4.4 Current Trends for Surface Modification of Nanomaterials 4.5 Summary 5 Insight into a Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) 5.1 Introduction to SQUID 5.2 Superconducting Materials Used in SQUID 5.3 What is the Basic Principle in SQUID VSM Magnetometer? 5.4 Superconductivity 5.5 Josephson Tunneling (JT) Phenomenon 5.6 Utilizations and Applications of SQUID 5.7 Advantages and Disadvantages of SQUID Compared to other Techniques in Characterization of Magnetic Nanomaterials 6 The principle of SQUID Magnetometry and its Contribution in MNPs Evaluation 6.1 Introduction 6.2 The Correct Procedure to Perform the Zero Field Cooling (ZFC) and Field Cooling (FC) Magnetic Study 6.3 The Concept of Merging Zero Field Cooled (ZFC) and Field Cooled (FC) Curve Completely with Each Other 6.4 Types of Information Obtained from the ZFC and FC Curves 6.5 SQUID Magnetometry: Magnetic Measurements 7 Type of Interactions in Magnetic Nanoparticles 7.1 Introduction 7.2 Magnetic Dipole-Dipole Interaction between Magnetic Nanoparticles 7.3 Exchange Interaction 7.4 Dipolar Interactions 7.5 Spin-orbit Interaction 8 Insight into Susceptibility Measurements in Nanostructured Magnetic Materials 8.1 Introduction 8.2 Information Obtained from Susceptibility Measurements 8.3 Insight into interaction between magnetic nanoparticles and used models 8.4 AC Susceptibility Measurement Evaluation 9 Induced Effects in Nanostructured Magnetic Materials 9.1 Introduction 9.2 The Spin-Canted Effect 9.3 Spin-glass-like Behavior in Magnetic Nanoparticles 9.4 Reentrant Spin Glass (RSG) Behavior in Magnetic Nanoparticles 9.5 Finite Size Effects on Magnetic Properties 9.6 Surface Effect in Nanosized Particles 9.7 Memory Effect 10 Insight into Superparamagnetism in Magnetic Nanoparticles 10.1 Introduction 10.2 Superparamagnetism 10.3 SPM Description Based on Magnetization Hysteresis Loop (M-H or B-H) 10.4 SPM detection based on ZFC and FC magnetization curves 11 Mössbauer Spectroscopy 11.1 Introduction to Mössbauer Spectroscopy 11.2 Observed Effects in Mössbauer 11.3 Hyperfine Interactions 11.4 Mössbauer Spectroscopy Applied to Magnetism 12 Applications of Magnetic Nanoparticles 12.1 Introduction 12.2 Magnetic Nanoparticles Application in Engineering Fields 12.3 Magnetic Nanoparticles Application in Energy 12.4 Magnetic Nanoparticles Application in Medical Sciences 12.5 Other General Applications of Magnetic Nanoparticles

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Book SynopsisPyroelectric Materials An authoritative and practical discussion of pyroelectric materials and their applications In Pyroelectric Materials: Physics and Applications, the authors deliver a comprehensive exploration of the physics of pyroelectric materials and their applications. With authoritative coverage of a wide variety of critical topics in the field, the authors provide the readers with chapters on dielectric fundamentals, pyroelectricity, pyroelectric materials and their applications such as pyroelectric infrared detectors, pyroelectric energy harvesting, and pyroelectric fusion. Readers will also find: A thorough introduction to the fundamentals of dielectrics, including discussions of polarization, dispersion, relaxation, and the molecular theory of induced charges in a dielectric Comprehensive explorations of pyroelectricity, including its history, theory, and a simple model of pyroelectric effect Perfect for researchers and professionals with an interest in pyroelectric materials, the book is also useful for graduate students taking courses involving pyroelectric materials and their applications.Table of Contents1 Fundamentals of Dielectrics 1.1 Dielectrics 1.1.1 Polarization of Dielectrics 1.1.2 Dispersion of Dielectric Polarization 1.1.2.1 Electronic Polarization 1.1.2.2 Ionic Polarization 1.1.2.3 Orientation Polarization 1.1.2.4 Space Charge Polarization 1.1.3 Dielectric relaxation 1.1.4 Debye relaxation 1.1.5 Molecular Theory of Induced Charges in a Dielectric 1.1.6: Capacitance of a Parallel Plate Capacitor 1.1.7 Electric displacement field, Dielectric constant, and Electric susceptibility 1.1.8 Local Field in a Dielectric 1.1.8.1 Lorentz field, E2 1.1.8.2 Field of dipoles inside cavity, E3 1.1.9 Dielectrics Losses 1.1.9.1 Dielectric Loss Angle 1.1.9.2 Total and Specific Dielectric Losses 1.1.10: Dielectrics Breakdown 2 Pyroelectricity 2.1 Introduction 2.2 History of pyroelectricity 2.3 Theory of Pyroelectricity 2.4 Simple model of pyroelectric effect 2.5 Pyroelectric crystal symmetry 2.6 Piezoelectricity 2.7 Ferroelectricity 2.7.1 Ferroelectric Phase Transitions 2.7.2 Ferroelectric Domains 2.7.3 Ferroelectric Domain Wall Motion 2.7.4 Soft mode 3 Pyroelectric materials and Applications 3.1 Introduction 3.2 Theory of Pyroelectric Detectors 3.3 Material Figure-of-Merits 3.4 Classification of pyroelectric materials 3.4.1 Single crystals 3.4.1.1 Triglycine sulphate (TGS) 3.4.1.2 Lithium tantalate (LT) and Lithium niobate (LN) 3.4.1.3 Barium strontium titanate (BST) 3.4.1.4 Strontium barium niobite (SBN) 3.4.2 Perovskite Ceramics 3.4.2.1 Modified lead zirconate (PZ) 3.4.2.2 Modified lead titanate (PT) 3.4.3 Polymers 3.4.4 Ceramic-polymer composites 3.4.5 Lead-free ceramics 3.4.6 Other pyroelectric materials 3.4.6.1 Aluminium nitride (AlN) 3.4.6.2 Gallium nitride (GaN) 3.4.6.3 Zinc oxide (ZnO) 4 Pyroelectric Infrared Detectors 4.1 Introduction 4.2 Device configurations 4.2.1 Thick film detectors 4.2.2 Thin film detectors 4.2.3 Hybrid focal plane array detector 4.2.4 Linear array detector 4.2.5 Periodic domain TFLTTM detector 4.2.6 Terahertz thermal detector 4.2.7 PVDF polymer detector 4.2.8 TFP polymer detector 4.2.9 TADPh polymer detector 4.2.10 Integrated resonant absorber pyroelectric detector 4.2.11 Resonant IR detector 4.2.12: Plasmonic IR detector 4.2.13: Graphene pyroelectric bolometer 5 Pyroelectric Energy Harvesting 5.1 Introduction 5.2 Theory of Pyroelectric Energy harvesting 5.3 Pyroelectricity in Ferroelectric Materials 5.3.1 Thermodynamic Cycles of PyEH 5.3.1 (a) Carnot Cycle 5.3.1 (b) Ericsson Cycle 5.3.1 (c) Olsen Cycle 5.4 Pyroelectric Generators 5.5 Pyroelectric Nanogenerators 5.5.1 Polymer Based Pyroelectric Nanogenerators 5.5.1.1 PyNGs Driven by Various Environmental Conditions 5.5.1.2 Development of Pyroelectric Materials 5.5.1.3 Wearable Pyroelectric Nanogenerators 5.5.1.4 Hybrid Pyroelectric Nanogenerators 5.5.2 Ceramic Based Pyroelectric Nanogenerators 5.5.2.1 ZnO based pyroelectric Nanogenerators 5.5.2.2 PZT based pyroelectric Nanogenerators 5.5.2.3 Lead-free Ceramic based pyroelectric Nanogenerators 5.5.3 Thermal nanophotonic- pyroelectric nanogenerator 5.5.4 Challenges and Perspectives of Pyroelectric nanogenerators 6 Pyroelectric fusion 6.1 Introduction 6.2 History of Pyroelectric Fusion 6.3 Pyroelectric neutron generators 6.4 Pyroelectric X-ray generators

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Book SynopsisInterface Engineering in Organic Field-Effect Transistors Systematic summary of advances in developing effective methodologies of interface engineering in organic field-effect transistors, from models to experimental techniques Interface Engineering in Organic Field-Effect Transistors covers the state of the art in organic field-effect transistors and reviews charge transport at the interfaces, device design concepts, and device fabrication processes, and gives an outlook on the development of future optoelectronic devices. This book starts with an overview of the commonly adopted methods to obtain various semiconductor/semiconductor interfaces and charge transport mechanisms at these heterogeneous interfaces. Then, it covers the modification at the semiconductor/electrode interfaces, through which to tune the work function of electrodes as well as reveal charge injection mechanisms at the interfaces. Charge transport physics at the semiconductor/dielectric interface is discussed in detail. The book describes the remarkable effect of SAM modification on the semiconductor film morphology and thus the electrical performance. In particular, valuable analyses of charge trapping/detrapping engineering at the interface to realize new functions are summarized. Finally, the sensing mechanisms that occur at the semiconductor/environment interfaces of OFETs and the unique detection methods capable of interfacing organic electronics with biology are discussed. Specific sample topics covered in Interface Engineering in Organic Field-Effect Transistors include: Noncovalent modification methods, charge insertion layer at the electrode surface, dielectric surface passivation methods, and covalent modification methods Charge transport mechanism in bulk semiconductors, influence of additives on materials’ nucleation and morphology, solvent additives, and nucleation agents Nanoconfinement effect, enhancing the performance through semiconductor heterojunctions, planar bilayer heterostructure, ambipolar charge-transfer complex, and supramolecular arrangement of heterojunctions Dielectric effect in OFETs, dielectric modification to tune semiconductor morphology, surface energy control, microstructure design, solution shearing, eliminating interfacial traps, and SAM/SiO2 dielectrics A timely resource providing the latest developments in the field and emphasizing new insights for building reliable organic electronic devices, Interface Engineering in Organic Field-Effect Transistors is essential for researchers, scientists, and other interface-related professionals in the fields of organic electronics, nanoelectronics, surface science, solar cells, and sensors.Table of ContentsPreface ix Author Biographies xi List of Acronyms and Abbreviations xiii 1 Introduction 1 1.1 Different Interfaces in OFETs 1 1.2 Brief Historic Overview of Interface Engineering in OFETs 3 1.3 Scope of the Book 3 2 Interfacial Modification Methods 7 2.1 Noncovalent Modification Methods 7 2.1.1 Charge Insertion Layer at the Electrode Surface 7 2.1.2 Dielectric Surface Passivation Methods 9 2.2 Covalent Modification Methods 12 2.2.1 SAM Modification of Electrodes 12 2.2.2 SAM Modification of Dielectrics 12 2.2.2.1 SAM/SiO2 Dielectrics 14 2.2.2.2 SAM/High-k Dielectrics 14 2.2.2.3 Self-Assembled Monolayer Field-Effect Transistors (SAMFETs) 28 2.3 Efforts in Developing New Methods 31 3 Semiconductor/Semiconductor Interface 33 3.1 Influence of Additives on a Material’s Nucleation and Morphology 37 3.1.1 Solvent Additives 37 3.1.2 Nucleating Agents 41 3.1.3 Template-Mediated Crystallization 43 3.1.4 Blending with Insulating Polymers 45 3.1.5 Blending with Polymer Elastomer: Nanoconfinement Effect 50 3.2 Enhancing the Performance Through Semiconductor Heterojunctions 55 3.2.1 Planar Bilayer Heterostructures 57 3.2.2 Molecular-Level Heterojunction 61 3.2.3 Supramolecular Arrangement of the Heterojunctions 64 3.3 Integrating Molecular Functionalities into Electrical Circuits 69 3.3.1 Charge-Trapping-Induced Memory Effect 69 3.3.2 Photochromism-Induced Switching Effect 72 4 Semiconductor/Electrode Interface 77 4.1 Work Function Tuning for Better Contact 79 4.1.1 SAM Modification 80 4.1.2 Charge Insertion Layer Modification 84 4.1.3 Polymer-Based Electrodes 89 4.1.4 Carbon Nanomaterial-Based Electrodes 92 4.1.5 Covalent Bond Formation at the Molecular Level 97 4.2 Installing Switching Effects at Semiconductor/Electrode Interface 100 5 Semiconductor/Dielectric Interface 103 5.1 Dielectric Modification to Tune Semiconductor Morphology 105 5.1.1 Dielectric Surface Energy Control 106 5.1.1.1 Modify with SAM 106 5.1.1.2 Surface Modification with Polymers 112 5.1.2 Dielectric Microstructure Design 113 5.1.2.1 Roughness Effect 114 5.1.2.2 Nano-fabrication Created Microstructure 116 5.1.2.3 Self-assembled Morphology of Dielectric 118 5.2 Eliminating Interfacial Traps 120 5.2.1 Dielectric Surface Passivation (Treatment) Methods 121 5.2.1.1 Polymer Encapsulation of Dielectrics 122 5.2.1.2 Gap Dielectrics 124 5.2.2 SAM/SiO2 Dielectrics 126 5.2.2.1 Provide Efficient Insulating Barrier Height 127 5.2.2.2 Control Surface Polarity and Carrier Density 128 5.2.3 SAM/High-k Dielectrics 131 5.2.3.1 Fundamentals of SAM-Modified High-k Dielectrics 132 5.2.3.2 SAM/High-k Hybrid Dielectrics for Flexible Substrate 134 5.2.4 Self-assembled Monolayer Field-Effect Transistors (SAMFETs) 137 5.2.4.1 Molecule Design for SAMFETs 137 5.2.4.2 Morphology Control of SAMFET 139 5.3 Integrating New Functionalities 141 5.3.1 Photoresponsive Dielectrics 142 5.3.2 Other External Stimuli-Responsive Dielectrics 144 5.3.2.1 Pressure Sensor 145 5.3.2.2 Thermal Sensor 147 5.3.2.3 Magnetic Sensor 147 5.3.2.4 Multifunctional Sensor 148 5.3.3 Integrating Memory Effect at the Dielectrics 148 6 Semiconductor/Environment Interface 155 6.1 Device Optimization to Improve Sensing Performance 156 6.1.1 Monolayer Functionalization 156 6.1.2 Bilayer Heterojunction Approach 158 6.1.3 Remote Floating Gate 159 6.2 OECT-Based and EGOFET-Based Sensors 160 7 Interfacing Organic Electronics with Biology 165 7.1 Integration of OFETs/OECTs with Nonelectrogenic Cells 166 7.2 Integration of Flexible Bioelectronics with Electrogenic Cells 170 7.3 Light/Cell/Device Interfaces 174 8 Concluding Remarks and Outlook 179 8.1 New Challenges in Molecular Design 179 8.2 High-Quality OSC Films: Self-Assembly Control 180 8.3 High-Performance Scalable Flexible Optoelectronics 180 8.4 Exploration of Novel Structures: Organic/2D Heterostructures and Vertical Structures 181 8.5 Instability: Stability in Aqueous Media and Thermal Stability in Hygienic Applications 181 8.6 Multifunctional Sensor Systems 183 References 185 Index 251

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Book SynopsisSustainable Hybrid Energy Systems Discovering comprehensive approaches to build sustainable hybrid energy systems Hybridization is the eternal theme of human energy utilization. However, it has never been more important than it is now because of the urgency of promoting energy transition and achieving carbon neutrality. Therefore, exploring the design, combustion, operation, and policy challenges of sustainable hybrid energy systems becomes increasingly important. Sustainable Hybrid Energy Systems: Carbon Neutral Approaches, Modeling, and Case Studies provides a detailed explanation of these aspects. Dividing hybrid energy systems into three categoriesco-located, co-combusted, and co-operated, this book emphasizes the deployment optimization, emission quota allocation, scheduling coordination, and renewable portfolio standards implementation of these systems. The results are essential tools for understanding the current and future of multi-input single-output hybrid energy systems. Su

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Book Synopsis

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Book SynopsisPhysik der Halbleiterbauelemente Das Standardwerk zur Physik der Halbleiterbauelemente – erstmals auf Deutsch! Dieses einzigartige Buch, geschrieben von Pionieren auf dem Gebiet, behandelt sämtliche Aspekte der Physik der Halbleiterbauelemente, die zu deren Verständnis, Betrieb, Weiter- und Neuentwicklung notwendig sind. Wie das englische Original ist die deutsche Ausgabe ein äußerst nützliches Nachschlagewerk in der industrieorientierten Halbleiterforschung und eignet sich ebenfalls ausgezeichnet als Einstiegsliteratur für Studierende sowie als Unterrichtsmaterial für Vortragende. Bei der deutschen Ausgabe wurde besonderer Wert auf eine gute Lesbarkeit gelegt und daher die Übersetzung, teilweise unter Rückgriff auf die von den Autoren zitierten Originalquellen, so gestaltet, dass unnötige Anglizismen vermieden werden. Das englische Fachvokabular ist ergänzend an den entsprechenden Stellen im Text eingearbeitet, um den Leserinnen und Lesern den Gebrauch der englischsprachigen Fachliteratur zu erleichtern. Gelegentliche Anmerkungen im Text und Verweise auf weitere Originalquellen tragen zusätzlich zum besseren Verständnis der Materie bei. Als das Referenzwerk schlechthin ist der „Sze“ ein Muss für alle, die sich in Forschung, Entwicklung und Lehre mit Halbleiterbauelementen beschäftigen. Die Inhalte sind kompakt und präzise beschrieben und eignen sich perfekt für den Einstieg in das jeweilige Gebiet, komplettiert durch vertiefende Übungsbeispiele zu jedem Kapitel. Physik der Halbleiterbauelemente bietet eine unerreichte Detailfülle und ausführliche Informationen über die Physik und den Betrieb aller relevanten Halbleiterbauelemente, mit 1000 Literaturangaben, 650 technischen Illustrationen sowie 25 Tabellen mit Material- und Bauelementparametern. Aus dem Inhalt: Halbleiterphysik-Grundlagen p-n Übergänge Metall-Halbleiter-Kontakte MIS-Kondensatoren Bipolartransistoren MOSFETs Nichtflüchtige Speicher JFETs MESFETs und MODFETs Tunnel-Bauelemente IMPATT-Dioden TE- und RST-Devices Thyristoren und Leistungsbauelemente Photodetektoren und Solarzellen Sensoren Table of ContentsVorwort v Vorwort des Übersetzers vii Biografien xvii Einführung xix Teil I Halbleiterphysik 1 1 Physik und Eigenschaften von Halbleitern – ein Überblick 3 1.1 Einleitung 3 1.2 Kristallstrukturen 3 1.3 Energiebänder und Bandlücken 7 1.4 Ladungsträgerkonzentrationen im thermischen Gleichgewicht 11 1.5 Ladungsträgertransportphänomene 21 1.6 Phononen, optische und thermische Eigenschaften 41 1.7 Heteroübergänge und Nanostrukturen 47 1.8 Halbleitergrundgleichungen und Anwendungsbeispiele 54 Teil II Grundstrukturen der Halbleiter-Bauelemente 71 2 p-n-Übergänge 73 2.1 Einleitung 73 2.2 Raumladungszonen 73 2.3 Strom-Spannungs-Kennlinien 83 2.4 p-n-Übergänge im Durchbruchsbereich 95 2.5 Transientes Verhalten und Rauschen 107 2.6 Der p-n-Übergang als Bauelement 110 2.7 Heteroübergänge 117 3 Metall-Halbleiter-Kontakte 127 3.1 Einleitung 127 3.2 Entstehung der Schottky-Barriere 127 3.3 Transportprozesse 144 3.4 Bestimmung der Barrierenhöhe 162 3.5 Diodenstrukturen 171 3.6 Ohmsche Kontakte 177 4 Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren 187 4.1 Einleitung 187 4.2 Idealer MIS-Kondensator 187 4.3 Der Silizium-MOS-Kondensator 200 4.4 Ladungsträgertransport inMOS-Kondensatoren 224 Teil III Transistoren 243 5 Bipolartransistoren 245 5.1 Einleitung 245 5.2 Statische Eigenschaften 246 5.3 Kompaktmodelle von Bipolartransistoren 263 5.4 Mikrowelleneigenschaften 273 5.5 Leistungstransistoren und Logikschaltungen 285 5.6 Heterobipolartransistoren 290 5.7 Selbsterhitzungseffekte 296 6 MOSFETs 305 6.1 Einleitung 305 6.2 Grundlegende Bauteilcharakteristiken 309 6.3 Bauelemente mit inhomogener Dotierung und vergrabenem Kanal 335 6.4 Bauelementeskalierung und Kurzkanaleffekte 346 6.5 MOSFET-Strukturen 363 6.6 Schaltungsanwendungen 375 6.7 NCFET und TFET 380 6.8 Der Einzelelektronentransistor 385 7 Nicht flüchtige Speicher 405 7.1 Einleitung 405 7.2 Das Konzept des Floating-Gate 406 7.3 Speicherstrukturen 411 7.4 Kompaktmodelle von Floating-Gate-Speicherzellen 417 7.5 Mehrstufige Zellen und dreidimensionale Strukturen 420 7.6 Herausforderungen bei der Skalierung 432 7.7 Alternative Speicherstrukturen 437 8 JFETs, MESFETs und MODFETs 455 8.1 Einleitung 455 8.2 JFET und MESFET 456 8.3 MODFET 479 Teil IV Bauelementemit negativemWiderstand und Leistungsbauelemente 505 9 Tunnelbauelemente 507 9.1 Einleitung 507 9.2 Tunneldioden 508 9.3 Verwandte Tunnelbauelemente 522 9.4 Resonante Tunneldioden 540 10 IMPATT-Dioden, TE- und RST-Devices 553 10.1 Einleitung 553 10.2 IMPATT-Dioden 554 10.3 Transferred Electron Devices 582 10.4 Real-Space-Transfer Devices 602 11 Thyristoren und Leistungsbauelemente 615 11.1 Einleitung 615 11.2 Thyristorkennlinien 616 11.3 Thyristorvarianten 636 11.4 Andere Leistungsbauelemente 642 Teil V Photonische Bauelemente und Sensoren 661 12 LEDs und Laser 663 12.1 Einleitung 663 12.2 Strahlende Übergänge 664 12.3 Lichtemittierende Dioden (LEDs) 668 12.4 Laserphysik 682 12.5 Laserbetrieb 691 12.6 Spezielle Laser 708 13 Photodetektoren und Solarzellen 721 13.1 Einleitung 721 13.2 Photoleiter 725 13.3 Photodioden 728 13.4 Lawinenphotodioden 738 13.5 Phototransistoren 748 13.6 Charge-Coupled Devices (CCDs) 751 13.7 Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektoren 764 13.8 Quantum-Well-Infrarotphotodetektoren (QWIPs) 767 13.9 Solarzellen 771 14 Sensoren 799 14.1 Einleitung 799 14.2 Thermische Sensoren 801 14.3 Mechanische Sensoren 807 14.4 Magnetische Sensoren 816 14.5 Chemische Sensoren 825 14.6 Biosensoren 830 Anhang A Liste der Symbole 839 Anhang B Internationales Einheitensystem 847 Anhang C Einheitenpräfixe 849 Anhang D Das griechische Alphabet 851 Anhang E Physikalische Konstanten 853 Anhang F Eigenschaften der wichtigsten Halbleiter 855 Anhang G Das Bloch-Theoremund die Energiebänder im reziproken Gitter 857 Anhang H Eigenschaften von Si und GaAs 859 Anhang I Die Boltzmann-Transportgleichung und das hydrodynamische Modell 861 Anhang J Eigenschaften von SiO2 und Si3N4 867 Anhang K Kompaktmodelle von Bipolartransistoren 869 Anhang L Die Entdeckung des Floating-Gate-Speicher-Effekts 877 Stichwortverzeichnis 879

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Book SynopsisDie Neuauflage gibt eine Einführung in die konzeptionell und mathematisch anspruchsvolle Elektrodynamik. Ausgehend von experimentellen Erkenntnissen über elektrische und magnetische Felder werden die Studierenden an die Maxwell-Gleichungen im Vakuum und in Materie herangeführt.Table of ContentsAbbildungsverzeichnis xiii Tabellenverzeichnis xvii Vorwort xix Vorwort der Vorauflage xxi 1 Einleitung 1 1.1 Felder in Mechanik und Elektrodynamik 1 1.2 Aufbau des Bands ,,Elektrodynamik“ 3 1.3 Gültigkeitsgrenzen der Elektrodynamik 5 2 Experimentelle Begründung der Maxwell-Gleichungen 7 2.1 Elektrostatik 7 2.1.1 Ladung und elektrisches Feld 7 2.2 Magnetostatik 15 2.2.1 Ladungserhaltung und Kontinuitätsgleichung 15 2.2.2 Wechselwirkung zwischen Strömen: Ampère’sches Gesetz 18 2.2.3 Die Wirkung mehrerer Ströme: Superposition der Kräfte bzw. Felder 22 2.2.4 Differential- und Integraldarstellung 24 2.2.5 Vektorpotential 26 2.3 Maxwell-Gleichungen 28 2.3.1 Faraday’sches Induktionsgesetz 28 2.3.2 Ampère’sches Gesetz und Ladungsverteilung 31 2.3.3 Quasistationäre Ströme und Maxwell’sche Verschiebungsströme 31 2.3.4 Maxwell-Gleichungen im Vakuum 33 2.3.5 Potentiale und Eichung 35 Kontrollfragen 41 Aufgaben 42 3 Ladungen in elektromagnetischen Feldern 47 3.1 Fundamentale Wechselwirkungen 47 3.2 Relativitätsprinzip 49 3.3 Das Konzept der Feldtheorie 50 3.4 Freies Teilchen 52 3.5 Viererpotential 56 3.6 Kovariante Bewegungsgleichungen 57 3.7 Anschluss an die Elektrodynamik 58 3.8 Eichinvarianz 63 3.9 Lorentz-Transformation der Felder 65 3.10 Feldinvarianten 67 Kontrollfragen 68 Aufgaben 69 4 Maxwell-Gleichungen 71 4.1 Homogene Feldgleichungen 71 4.2 Feldwirkung 73 4.3 Vierervektor des Stroms 76 4.4 Inhomogene Maxwell-Gleichungen 78 4.5 Vollständige Bewegungsgleichungen 80 4.6 Kontinuitätsgleichung 81 4.7 Energiedichte und Energiestrom 82 4.8 Resümee 84 Kontrollfragen 85 Aufgaben 86 5 Elektrostatik im Vakuum 89 5.1 Elektrostatische Feldgleichungen 89 5.2 Felder von Punktladungen und Ladungsverteilungen 92 5.2.1 Elektrisches Feld 92 5.2.2 Skalares Potential 94 5.2.3 Green’sche Funktion 94 5.3 Beispiele der Feldberechnung 95 5.3.1 Gleichförmig bewegte Punktladung 95 5.3.2 Dipol aus ungleichnamigen Ladungen 97 5.3.3 Radialsymmetrische Ladungsverteilungen 100 5.3.4 Geladene Flächen 102 5.4 Fernfeld lokalisierter Ladungsverteilungen 105 5.4.1 Kartesische Multipolentwicklung 105 5.4.2 Sphärische Multipolentwicklung 106 5.5 Elektrische Energie von Ladungssystemen 109 5.5.1 Wechselwirkende diskrete Ladungen 109 5.5.2 Wechselwirkende Dipole 111 5.6 Kräfte im elektrischen Feld 113 5.6.1 Kräfte auf Einzelladungen 113 5.6.2 Kräfte auf Ladungssysteme 114 5.6.3 Dipole in externen Feldern 115 Kontrollfragen 116 Aufgaben 117 6 Elektrostatik in Materie 121 6.1 Elektrostatisches Feld von Leitern 121 6.2 Potential von Leitern 123 6.2.1 Leiter bei vorgegebenem Potential 123 6.2.2 Green’sche Sätze 124 6.2.3 Leiter bei vorgegebener Ladung 126 6.3 Green’sche Funktion 127 6.3.1 Generelle Problemstellung 127 6.3.2 Spiegelladungsmethode 128 6.3.3 Reihenentwicklungsmethode 131 6.3.4 Variationsverfahren 134 6.4 Raumladungsfreie Probleme 136 6.4.1 Plattenkondensator 136 6.4.2 Kapazitätskoeffizienten 139 6.4.3 Kanten 140 6.4.4 Inversionsmethode 142 6.4.5 Konforme Abbildungen 143 6.5 Dielektrika 153 6.5.1 Potential 153 6.5.2 Verschiebungsfeld 154 6.5.3 Materialgleichungen 155 6.5.4 Stetigkeitsbedingungen an Grenzflächen 156 6.5.5 Beispiele 158 Kontrollfragen 169 Aufgaben 170 7 Magnetostatik 173 7.1 Biot-Savart’sches Gesetz 173 7.2 Magnetisches Moment 176 7.3 Magnetische Multipole 179 7.4 Magnetische Monopole 180 7.5 Lineare Stromschleifen 182 7.6 Magnetische Feldenergie 184 7.7 Kräfte im Magnetfeld 185 7.8 Magnetostatik in Materie 188 7.8.1 Magnetisierung 188 7.8.2 Magnetische Suszeptibilität und Permeabilität 190 7.8.3 Magnetisierungsstromdichte 192 7.8.4 Magnetfeld und magnetische Induktion 193 7.9 Magnetische Materialien 194 7.9.1 Diamagnetische Materialien 194 7.9.2 Paramagnetische Materialien 194 7.9.3 Ferromagnetische Materialien 194 7.10 Verhalten an Grenzflächen 196 7.11 Klassische Supraleitertheorie 198 Kontrollfragen 201 Aufgaben 202 8 Zeitabhängige elektromagnetische Felder 205 8.1 Maxwell-Gleichungen in Materie 205 8.2 Materialgleichungen 207 8.2.1 Suszeptibilität und lineare Antwort 207 8.2.2 Atomare Modelle für die Suszeptibilität 215 8.2.3 Leitfähigkeiten 217 8.2.4 Das klassische Drude-Modell für die Leitfähigkeit 218 8.2.5 Plasmaschwingungen 219 8.2.6 Magnetische Suszeptibilität 221 8.3 Bilanzgleichungen 223 8.3.1 Energiebilanz 223 8.3.2 Impulsbilanz und Spannungstensor 226 8.3.3 Drehimpulsbilanz 230 8.4 Rand- und Stetigkeitsbedingungen 231 8.5 Freie elektromagnetische Wellen 232 8.5.1 Wellen im Vakuum und in dispersionsfreier Materie 232 8.5.2 Monochromatische Wellen 238 8.5.3 Wellen in dielektrischen Medien 241 8.5.4 Wellen in leitfähigen Materialien 244 8.5.5 Komplexe Wellenvektoren 245 8.5.6 Brechung und Reflexion 252 8.5.7 Klassischer Tunneleffekt 261 8.6 Quasistationäre Felder 261 8.6.1 Felddiffusion 261 8.6.2 Skineffekt 264 8.6.3 Wirbelstromverluste 266 8.7 Telegrafengleichung 267 Kontrollfragen 268 Aufgaben 268 9 Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen 271 9.1 Inhomogene Wellengleichungen 271 9.2 Lösung der inhomogenen Wellengleichung 273 9.2.1 Konstruktiver Zugang 273 9.2.2 Green’sche Funktion der Wellengleichung 275 9.2.3 Green’schen Funktion in Fourier-Darstellung 278 9.3 Klassische Dipolstrahlung 282 9.3.1 Fernfeldnäherung 282 9.3.2 Nahfeldnäherung 286 9.4 Antennen 287 9.5 Ausstrahlung eines zeitlich variablen mathematischen Dipols 288 9.5.1 Ladungs- und Stromdichte des mathematischen Dipols 288 9.5.2 Potentiale des zeitabhängigen mathematischen Dipols 289 9.5.3 Berechnung der Felder 289 9.5.4 Poynting-Vektor und abgestrahlte Leistung 293 9.6 Dipolstrahlung freier Ladungen 294 9.7 Nicht relativistische Elektronen im Magnetfeld 294 9.8 Klassische atomare Katastrophe 296 9.9 Streuung an Elektronen 297 9.10 Ausstrahlung einer bewegten Punktladung 299 9.10.1 Ladungs- und Stromdichten, Potentiale 299 9.10.2 Bestimmung der Feldstärken 301 9.10.3 Berechnung des Poynting-Vektors 302 9.11 Bremsstrahlung 303 9.11.1 Lineare Bremsbeschleunigung 303 9.11.2 Kreisbewegung 304 9.12 Čerenkov-Strahlung 305 Kontrollfragen 310 Aufgaben 311 10 Optik 313 10.1 Kirchhoff’sche Wellenformel 313 10.1.1 Die reduzierte Wellengleichung und ihre Lösung 313 10.1.2 Große optische Weglängen 316 10.1.3 Ebener Schirm mit kleinen Öffnungen 317 10.2 Fraunhofer’sche Beugung 319 10.2.1 Grundformel 319 10.2.2 Beugung am Rechteck 319 10.2.3 Beugung am Gitter 321 10.2.4 Beugung an der Kreisblende 322 10.2.5 Streuung an statistisch verteilten Zentren 324 10.3 Geometrische Optik 325 Kontrollfragen 330 Aufgaben 331 Lösungen zu den Aufgaben 333 Anhang A Naturkonstanten, Einheiten 433 Anhang B Fundamentallösung der Poisson-Gleichung 435 Anhang C Dreidimensionale Vektoranalysis 437 C.1 Nabla-Kalkül 437 C.2 Allgemeine orthogonale Koordinaten 438 C.3 Zylinderkoordinaten 439 C.4 Kugelkoordinaten 440 Anhang D Kugelflächenfunktionen 441 Literaturverzeichnis 445 Stichwortverzeichnis 447

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Book SynopsisAusführliche Darstellung der technischen und nicht-technischen Aspekte der modernen Beleuchtungstechnik im Blick auf die Wirkung auf den Menschen! Die moderne Lichttechnik befasst sich nicht nur mit den technischen Aspekten von Beleuchtung in Innenräumen, sondern auch mit der Wirkung unterschiedlicher Arten von Beleuchtung auf den Menschen. Über die genaue Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von Licht und der Lichterzeugung hinaus werden dazu validierte physiologische und psychologische Wahrnehmungsmodelle benötigt, auf deren Basis Hersteller von Leuchtmitteln und Anbieter von Lichttechniklösungen Design- und Entwicklungsentscheidungen treffen können. Dieses Buch gibt einen Überblick über das Forschungsgebiet des Human Centric Integrative Lighting, also der menschzentrierten Innenraumbeleuchtungstechnik. Nach einer Zusammenfassung der Grundlagen der Lichttechnik im Zusammenspiel mit der menschlichen Wahrnehmung und dem aktuellen Stand der heutigen Innenraumbeleuchtung legen die Autoren die Grundprinzipien des Human Centric Integrative Lighting dar und schildern ausführlich Aspekte wie visuelle Leistungen, Farbqualität und emotionale Wirkung sowie die Korrelation der relevanten Parameter. Im Anschluss diskutieren sie umfassende Lichtqualitätsmodelle und leiten daraus Empfehlungen für die praktische Umsetzung des Konzepts des Human Centric Integrative Lighting ab. * Geballtes Expertenwissen: das Buch ist geschrieben von Deutschlands führenden Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Lichttechnik * Kohärente Zusammenfassung des Forschungsstands: das Buch kombiniert die relevanten Forschungsergebnisse aus Zeitschriften, Patentschriften und Normen zu einem einheitlichen Ganzen * Praxisorientierter Ansatz: die wissenschaftlichen Erkenntnisse werden zu Modellen kondensiert, die für Entwickler direkt nutzbar sindTable of ContentsVorwort und Danksagung v 1 Einleitung und Motivation 1 1.1 Einfuhrung: ein historischer Ruckblick und aktuelle Fragestellungen 1 Literatur 4 2 Grundlagen der Lichttechnik – visuelle und nicht visuelle Grundaspekte 5 2.1 Das menschliche Sehsystem: visuelle und nicht visuelle Signalverarbeitung 5 2.2 Lichttechnische und farbmetrische Kenngrosen 10 2.2.1 Lichttechnik und Farbmetrik 10 2.2.2 Farbmetrik: CIE-Normvalenzsystem und CIE-Normfarbtafel 11 2.2.3 Farberscheinung, Farbumstimmung, Farbraume, Farbdifferenzformeln 14 2.2.4 Das CIECAM02-Farberscheinungsmodell 16 2.2.5 CAM02-UCS-Farbraum 19 2.3 Grundlagen der nicht visuellen Aspekte 19 2.3.1 Melatoninunterdruckung in der Nacht 19 2.3.2 Modellierung der Melatoninunterdruckung in der Nacht mit dem zirkadianen Stimulus (CS) und dem melanopischenWirkungsfaktor 21 2.3.3 Spektrale Aktivitatsfunktionen nach der CIE 24 2.3.4 Mathematische Zusammenhange zwischen circadian stimulus (CS), melanopischer Beleuchtungsstarke und D65-aquivalenter Beleuchtungsstarke 25 Literatur 26 3 Grundprinzipien von Human Centric Lighting/integrativer Beleuchtung 29 3.1 Grundsatzliche Fragestellungen, allgemeine Aspekte 29 3.2 Eingangsgrosen – eine Systematik 31 3.3 Gehirnverarbeitung zur Bildung subjektiver und objektiver Verhaltensgrosen 34 3.3.1 Visuelle Verarbeitungssysteme 34 3.3.2 Verarbeitungszentren und Ubertragungsbahnen fur nicht visuelle Lichtwirkungen 40 3.4 Timing-System, zirkadianer Rhythmus und Schlafverhalten 44 3.4.1 Fragestellungen 44 3.4.2 Timing-System: Entrainment, Zeitgeberrolle 45 3.4.3 PRC-Funktion, Phasenverschiebung 46 3.4.4 Chronotypen, Schlafverhalten 47 3.5 Ausgangsgrosen des visuellen und des nicht visuellen Gehirnverarbeitungsapparats: eine Systematik 49 3.6 Grundaspekte von Human Centric Lighting – Integrative Lighting 49 3.7 Werkzeuge und Methoden fur die Ermittlung der subjektiv und objektiv messbaren Lichtwirkungen 53 3.7.1 Fragebogen zur umfassenden subjektiven Bestimmung der Beleuchtungsqualitat von Innenraumen 53 3.7.2 Fragebogen zum Schlafverhalten, Schlafrigkeit,Wachheit – subjektive Basis 54 3.7.3 Objektive Methoden undWerkzeuge 55 Literatur 56 4 Sehleistungen – Arbeitsleistungen 59 4.1 Stand der Normung fur Innenraumbeleuchtung am Beispiel der DIN EN 12464 59 4.2 Sehleistungen 64 4.2.1 Definition und Einflussfaktoren 64 4.2.2 Das RVP-Modell von Rea, 1991 66 4.2.3 Das Modell von Kokoschka auf der Datenbasis vonWeston 70 4.3 Arbeitsleistungen 73 4.3.1 Zuordnung der Arbeitsleistungsaspekte 73 4.3.2 Modell zur Beanspruchungsregulation bei schlechter Beleuchtung 74 4.3.3 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die geistige Arbeit 76 4.3.4 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die Arbeitsleistung an Industriearbeitsplatzen 81 4.3.5 Zusammenfassung der Aussagekraft der Sehleistungs- und Arbeitsleistungsergebnisse – vorlaufige Konsequenzen fur die Innenraumbeleuchtung 84 Literatur 85 5 Moderne Aspekte der Helligkeit und der visuellen Klarheit im Kontext der Lichtqualität und visuelle Leistung 87 5.1 Einfuhrung 87 5.2 Versuchsmethode der Probandenstudie 92 5.3 Modellierung der Helligkeit und der visuellen Klarheit 94 5.4 Zusammenfassung 99 Literatur 100 6 Farbqualität und psychophysisch-emotionale Aspekte, Laborexperimente 103 6.1 Einleitung 103 6.2 Bevorzugte horizontale Beleuchtungsstarken 104 6.3 Bevorzugte Leuchtdichten von derWand am Monitorarbeitsplatz 106 6.3.1 Einfuhrung 106 6.3.2 Versuchsmethode 107 6.3.3 Auswertung der Ergebnisse 112 6.3.4 Zusammenfassung 112 6.4 Bevorzugte Farbtemperaturen 114 6.4.1 Einfuhrung 114 6.4.2 Experimentelle Methode 115 6.4.3 Ergebnisse und Diskussion 120 6.5 Bevorzugte Bereiche von Farbtemperaturen und Beleuchtungsstarken 122 6.5.1 Das Wesen der Beleuchtungsstarke und der Farbtemperatur 122 6.5.2 Beleuchtungsstarke und Farbtemperatur in der Literatur 123 6.5.3 Visuelle Experimente zum kombinierten Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke 125 6.5.4 Ergebnisse: kombinierter Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke 127 6.5.5 Abhangigkeit der bevorzugten Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke von Alter und Geschlecht fur Aktivierung und Entspannung 128 6.6 Bevorzugte Farborte (Weistone) 130 6.6.1 Einfuhrung 130 6.6.2 Versuchsmethode 132 6.6.3 Ergebnisse 132 6.7 Farbqualitat 134 6.7.1 Wahrnehmungsaspekte der Farbqualitat 134 6.7.2 Modellierung der Farbpraferenz, der Naturlichkeit und der Lebhaftigkeit 139 6.7.3 Berucksichtigung von roten Objektfarben im Farbpraferenzmodell 144 6.8 Farbpraferenz fur die Beleuchtung des Hauttons 147 6.8.1 Einfuhrung 147 6.8.2 Methode des Versuchs zur Farbpraferenz fur die Beleuchtung des Hauttons 147 6.8.3 Ergebnisse der subjektiven Skalierung der Farbpraferenz fur den Hautton und optimale Sattigungsstufen 152 6.9 Farbwiedergabeindizes und deren semantische Bedeutung 155 6.9.1 Einfuhrung 155 6.9.2 Methodik des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes 155 6.9.3 Ergebnisse des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes 158 6.10 Zusammenfassung des Kapitels 6: Vorlaufige Konsequenzen fur die Innenraumbeleuchtung 159 Literatur 160 7 Neue Lichtqualitätsmodelle aus Laborexperimenten und Validation in Feldversuchen 163 7.1 Einfuhrung 163 7.2 Eingangs- und Ausgangsparameter der Lichtqualitatsmodelle 165 7.2.1 Eingangsparameter 165 7.2.2 Ausgangsparameter 165 7.3 Versuchsanordnungen fur die Lichtqualitatsmodelle 166 7.4 Gleichungen der Lichtqualitatsmodelle 170 7.4.1 Helligkeit 170 7.4.2 Visuelle Klarheit 171 7.4.3 Farbpraferenz 173 7.4.4 Szenenpraferenz 175 7.5 Modellierung mit dem circadian stimulus (CS) 175 7.5.1 Berechnungsmethode 178 7.5.2 Helligkeit 178 7.5.3 Visuelle Klarheit (VC) 179 7.5.4 Farbpraferenz (CP) 179 7.5.5 Szenenpraferenz (SP) 181 7.5.6 Visualisierung der VC-, CP- und SP-Modelle in Konturdiagrammen 181 7.6 Validation der Lichtqualitatsmodelle in drei Museen in Japan 183 7.7 Zusammenfassung 185 Literatur 187 8 Korrelationsanalyse der HCL-Kenngrößen und Konsequenzen für die Messtechnik nicht visueller Effekte 191 8.1 Generelle Betrachtung der Korrelation der Kenngrosen fur visuelle Leistung, Farbqualitat und nicht visuelle Wirkungen 191 8.1.1 Einfuhrung 191 8.1.2 Bewertung der Farbwiedergabeindizes 195 8.1.3 Bewertungen der Helligkeitskenngrosen 197 8.1.4 MelanopischeWirkung und Farbwiedergabe 199 8.2 Spezifische Betrachtung der Korrelation der Kenngrosen fur visuelle Leistung, Farbqualitat und nicht visuelle Wirkungen 200 8.3 Struktur und Kategorien der Eingangskenngrosen im HCL-System 202 Literatur 207 9 Psychophysisch-emotionale Aspekte – visueller Komfort und nicht visuelle Wirkungen 209 9.1 Psychologisch-emotionale Aspekte der Lichtwirkung 209 9.1.1 Einfuhrung 209 9.1.2 Psychologische Wirkung der veranderlichen Lichtsituationen, Raumwirkung 212 9.2 Raumeindruck, Raumhelligkeit und Gesichtsfeldleuchtdichte 219 9.3 Visueller Komfort – Flimmern und stroboskopische Effekte 221 9.3.1 Pulsweitenmodulation und Konstantstromregelung 221 9.3.2 Flimmern und stroboskopische Effekte 221 9.3.3 Stand der Forschung 222 9.3.4 Untersuchung 224 9.3.5 Ergebnisse 228 9.3.6 Fazit 232 9.4 Nicht visuelle Lichtwirkungen in den nachtlichen Stunden 232 9.4.1 Einfuhrung 233 9.4.2 Lichtwirkungen in nachtlichen Stunden mit polychromatischem weisem Licht 233 9.4.3 Lichtwirkungen in nachtlichen Stunden mit quasimonochromatischem Licht 238 9.4.4 Bildung einerMetrik zur Charakterisierung der zeitabhangigen Melatoninunterdruckung 241 9.4.5 Bestimmung der potenziellen Ursachen fur dieMelatoninunterdruckung in nachtlichen Stunden 244 9.4.6 Beleuchtungstechnische Aspekte fur die Schichtarbeiten 246 9.5 Psychologische und gesundheitliche Aspekte von Tageslicht 252 9.5.1 Psychologische Aspekte 253 9.5.2 Gesundheitliche Aspekte von Tageslicht 255 9.5.3 Quantitative Charakteristik von Tageslicht und elektrischem Licht – ein Vergleich 258 9.6 Einflusse von Lichtintensitat und Zeitpunkt der Lichtexposition auf das Schlafverhalten 264 9.7 Lichtwirkungen auf dieWachheit – Literaturanalyse verschiedener Publikationen 267 9.7.1 Wachheit in den abendlichen und nachtlichen Stunden 267 9.7.2 Wachheit in der Tageszeit 268 9.8 Ergebnisse der Lichtwirkung auf dieWachheit in der Fruhschicht in einem Industriebetrieb 272 9.8.1 Ergebnisse der Datenauswertung 273 9.8.2 Zusammenfassung und Diskussion 274 Literatur 275 10 Praktische HCL-Lichtmesstechnik im Innen- und Außenbereich 281 10.1 Einfuhrung 281 10.2 Arbeitsthesen und Fragestellungen fur die HCL-Lichtmesstechnik 283 10.3 Lichtmesstechnische Aspekte 286 10.3.1 Gesichtsfeldeinteilung 286 10.3.2 Derzeitige Definitionen der zirkadian wirksamen Bestrahlungsstarke 287 10.3.3 Ermittlung von circadian stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstarke und Normfarbwertanteile z 292 10.3.4 Ermittlung von circadian stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstarke und die ahnlichste Farbtemperatur CCT 294 10.4 Zirkadian wirksame Bestrahlung im Ausen- und Innenbereich durch integrale Feldmessungen 296 10.4.1 Die Feldmessungen im Winter 297 10.4.2 Feldmessungen an einem Sommertag 298 10.4.3 Feldmessungen am Abend eines Herbsttages 300 10.5 Tageslichtmessung – fundamentale und praktische Ansatze 304 10.5.1 Fundamentale spektrale Messung der Tageslichtspektren 304 10.6 HCL-Lichtmessungen an Buroarbeitsplatzen 310 10.6.1 BenotigteMessgrosen sowie verwendeteMesstechnik 310 10.6.2 Messaufbau 311 10.6.3 Messraume 312 10.6.4 Messergebnisse an verschiedenen Buroarbeitsplatzen 313 Literatur 316 11 Technologische Aspekte der HCL – Beleuchtung in Gebäuden 319 11.1 Einfuhrung in die Thematik Smart Lighting 319 11.2 Technische Grundlagen von Smart Lighting 323 11.3 Struktur von Cloud-Software und Applikationsfalle 331 11.4 Lichtregelung und spektrale Optimierung fur hochqualitatives und gesundes Licht 334 11.4.1 Stufen der Realisierungsmoglichkeiten der Leuchten fur die HCL-Beleuchtungstechnik 334 11.4.2 Stufen 1 und 2 mit konstanter Farbtemperatur 335 11.4.3 Entwicklungsstufen 3 und 4 mit variabler Farbtemperatur und variable Beleuchtungsstarke 343 11.4.4 Entwicklungsstufe 5 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstarke und mit einer hohen Farbqualitat 344 11.4.5 Entwicklungsstufe 6 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstarke und Tageslichtberucksichtigung 346 11.5 Farb- und Lichtsensorik 352 Literatur 356 12 HCL-Orientierte Beleuchtungsplanung – Grundaspekte und Umsetzung 359 12.1 Einordnung von HCL-Konzeption des Prozesses der Beleuchtungsqualitat 359 12.1.1 Konzeptionen und Gedankenprozesse uber die Beleuchtungsqualitat bis ins Jahr 2002 359 12.1.2 Derzeitiger Literaturstand und neue Gedanken uber die Beleuchtungsqualitat 366 12.1.3 Zusammenfassende Konzeption uber HCL und Beleuchtungsqualitat – ein Konzeptentwurf 368 12.2 Prozess und Einflussfaktoren zur Erzielung der Beleuchtungsqualitat – Lichtplanung 370 12.2.1 Ziele und Einordnung der HCL-orientierten Lichtplanung 370 12.2.2 Prozessschritte der HCL-orientierten Lichtplanung 371 12.3 Tageslicht und Tageslichtplanung 377 12.3.1 Einfuhrung 377 12.3.2 Tageslicht in lichtplanerischer Sicht – Tageslichtplanung im Rahmen der Normung 378 12.3.3 Tageslichtplanung fur nicht visuelle Effekte 380 12.3.4 Einige Daten uber Tageslichtwirkungen 381 12.4 Spezifikation der HCL-Beleuchtungsanlagen fur Tageszeit – Entwurf fur eine Empfehlung 382 12.4.1 Einfuhrung 382 12.4.2 Beleuchtungsniveau, zirkadian wirksame Beleuchtungsstarken 383 12.5 Dynamisches Licht – Steuerkurven 392 12.6 Beleuchtung fur Nutzer/-innenmit hoherem Lichtbedarf 398 12.6.1 Das Sehen im Alter – einige Aspekte 399 12.6.2 Beleuchtung fur Altenheime und an Demenz erkrankten Menschen 403 12.6.3 Vorschlag fur die Beleuchtungsplanung fur Altenheime und Pflegeheime 406 Literatur 408 13 Zusammenfassung und Ausblick 413 13.1 Zusammenfassung 413 13.2 Ausblick 417 Anhang A Einheitliche Bewertung von Lichtsituationen mit dem LiTG-Fragebogen (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft e. V.) 419 Literatur 422 Stichwortverzeichnis 423

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Book SynopsisSuperconducting Radiofrequency Technology for Accelerators Single source reference enabling readers to understand and master state-of-the-art accelerator technology Superconducting Radiofrequency Technology for Accelerators provides a quick yet thorough overview of the key technologies for current and future accelerators, including those projected to enable breakthrough developments in materials science, nuclear and astrophysics, high energy physics, neutrino research and quantum computing. The work is divided into three sections. The first part provides a review of RF superconductivity basics, the second covers new techniques such as nitrogen doping, nitrogen infusion, oxide-free niobium, new surface treatments, and magnetic flux expulsion, high field Q slope, complemented by discussions of the physics of the improvements stemming from diagnostic techniques and surface analysis as well as from theory. The third part reviews the on-going applications of RF superconductivity in already operational facilities and those under construction such as light sources, proton accelerators, neutron and neutrino sources, ion accelerators, and crab cavity facilities. The third part discusses planned accelerator projects such as the International Linear Collider, the Future Circular Collider, the Chinese Electron Positron Collider, and the Proton Improvement Plan-III facility at Fermilab as well as exciting new developments in quantum computing using superconducting niobium cavities. Written by the leading expert in the field of radiofrequency superconductivity, Superconducting Radiofrequency Technology for Accelerators covers other sample topics such as: Fabrication and processing on Nb-based SRF structures, covering cavity fabrication, preparation, and a decade of progress in the field SRF physics, covering zero DC resistance, the Meissner effect, surface resistance and surface impedance in RF fields, and non-local response of supercurrent N-doping and residual resistance, covering trapped DC flux losses, hydride losses, and tunneling measurements Theories for anti-Q-slope, covering the Xiao theory, the Gurevich theory, non-equilibrium superconductivity, and two fluid model based on weak defects Superconducting Radiofrequency Technology for Accelerators is an essential reference for high energy physicists, power engineers, and electrical engineers who want to understand the latest developments of accelerator technology and be able to harness it to further research interest and practical applications.Table of ContentsPreface PART I. UPDATE OF SRF FUNDAMENTALS Introduction SRF Fundamentals Review PART I. UPDATE OF SRF FUNDAMENTALS Introduction SRF Fundamentals Review PART II. HIGH Q FRONTIER: PERFORMANCE ADVANCES AND UNDERSTANDING Nitrogen-Doping High Q via 300°C Bake (Mid-T-Bake) High Q's from DC Magnetic Flux Expulsion PART III. HIGH GRADIENT FRONTIER: PERFORMANCE ADVANCES AND UNDERSTANDING High Field Q Slope (HFQS) - Understanding and Cures Quest for Higher Gradients: Two Step Baking & N-Infusion Improvements in Cavity Preparation Pursuit of Higher Performance with Alternate Materials PART IV. APPLICATIONS New Cavity Developments Ongoing Applications Future Prospects for Large-Scale SRF Applications Quantum Computing with SRF Cavities Index

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Book SynopsisPhotonic Quantum Technologies Brings together top-level research results to enable the development of practical quantum devices In Photonic Quantum Technologies: Science and Applications, the editor Mohamed Benyoucef and a team of distinguished scientists from different disciplines deliver an authoritative, one-stop overview of up-to-date research on various quantum systems. This unique book reviews the state-of-the-art research in photonic quantum technologies and bridges the fundamentals of the field with applications to provide readers from academia and industry, in one-location resource, with cutting-edge knowledge they need to have to understand and develop practical quantum systems for application in e.g., secure quantum communication, quantum metrology, and quantum computing. The book also addresses fundamental and engineering challenges en route to workable quantum devices and ways to circumvent or overcome them. Readers will also find: A thorough introduction to the fundamentals of quantum technologies, including discussions of the second quantum revolution (by Nobel Laureate Alain Aspect), solid-state quantum optics, and non-classical light and quantum entanglement Comprehensive explorations of emerging quantum technologies and their practical applications, including quantum repeaters, satellite-based quantum communication, quantum networks, silicon quantum photonics, integrated quantum systems, and future vision Practical discussions of quantum technologies with artificial atoms, color centers, 2D materials, molecules, atoms, ions, and optical clocks Perfect for molecular and solid-state physicists, Photonic Quantum Technologies: Science and Applications will also benefit industrial and academic researchers in photonics and quantum optics, graduate students in the field; engineers, chemists, and computer and material scientists.Table of ContentsIntroduction to Quantum Photonics PART I: FUNDAMENTALS OF QUANTUM TECHNOLOGIES The second quantum revolution: from basic concepts to quantum technologies Solid state quantum emitters Single photon sources for multi-photon applications Quantum Key Distribution Protocols From basic science to technological development: the case for two avenues Quantum Networks in Space PART II: ATOMS, IONS, AND MOLECULES: FROM EXPERIMENTAL TECHNIQUES TO RECENT PROGRESS Fluorescence spectroscopy in planar dielectric and metallic systems Single Trapped Neutral Atoms in Optical Lattices Long Distance Entanglement of Atomic Qubits Collective Light emission of ion crystals in correlated Dicke states Single Molecule Magnets Spin Devices Molecular-ion quantum technologies Optical atomic clocks PART III: SPIN QUBITS AND QUANTUM MEMORIES: FROM SPIN PROPERTIES TO PHYSICAL REALIZATIONS Coherent Spin Dynamics of Colloidal Nanocrystals Relaxation of Electron and Hole Spin Qubits in III-V Quantum Dots Ensemble-Based Quantum Memory: Principle, Advance, and Application PART IV: SOLID-STATE AND VAN DER WAALS MATERIAL PLATFORMS: FROM SINGLE QUANTUM EMITTERS TO HYBRID INTEGRATION Telecom wavelengths InP-based quantum dots for quantum communication Quantum Optics with Solid-State Colour Centres Quantum photonics with 2D semiconductors Nano-opto-electro-mechanical systems for integrated quantum photonics Silicon Quantum Photonics Platform PART V: EMERGING QUANTUM TECHNOLOGIES: CHALLENGES AND POTENTIAL APPLICATIONS Photonic realization of qubit quantum computing Fiber-Based Quantum Repeaters Long-distance satellite-based quantum communication Quantum Communication Networks for 6G

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Book SynopsisTesla hat viel geschaffen, noch mehr wurde ihm zugeschrieben und angedichtet. Wie wohl kein anderer Erfinder beflügelt er die Phantasie der Menschen: Er soll ein Energiewesen von der Venus gewesen sein und sein Weltsystem hätte sämtliche Energieprobleme der Erde umweltfreundlich lösen können. Michael Krause hält sich an die Tatsachen, und die sind schon spannend genug. Er beschriebt wie Tesla vom Balkan kommend über Paris in die USA auswanderte, dort seine wichtigsten Erfindungen machte und schließlich Spielball der Großindustrie wurde. Tesla war aber mehr als nur ein willfähriges Subjekt: Er folgte immer seinen Visionen, nur konnte er sich meist nicht durchsetzen. So ist dieses Buch ein Krimi um Wissenschaft, Geld, Macht und das Scheitern eines Genies.Trade Review"...die bislang beste deutschsprachige Tesla-Biografie. Anders als so mancher Biograf vor ihm hat Krause eine kritische Distanz zu Tesla bewahrt, um einen nüchternen, aber keineswegs weniger spannenden Blickwinkel zu finden..." (Chemie in unserer Zeit, Frühjahr 2010) "...Michael Krause ist ein Fan der schrägen Forschers, das ist nicht zu überlesen. Dennoch bleibt sein Stil unaufgeregt und enthält sich verschwörungstheoretischer Spekulationen... Gekonnt verwebt der Autor Zeitgeschichte, Biografisches und Einblicke in die Elektrotechnik...." Deutschlandradio, 9. März 2010 "...Das Tesla mit seinen Erfindungen seiner Zeit ein großes Stück voraus war, schildert das Buch "Wie Nikola Tesla das 20. Jahrhundert erfand"...Der Autor Michael Krause trennt die Mythen von den Fakten und liefert ein umfassendes Bild vom Leben und Wirken Nikola Teslas, der, aus dem heutigen Kroatien kommend, 1884 in die Vereinigten Staaten auswanderte, wo er seine größten Erfindungen machte...Das Buch das zahlreiche historische Aufnahmen enthält, ist auch eine gut verständliche Einführung in die Elektrizitätslehre." (Frankfurter Allgemeine Zeitung, 27.01.2010) David Bowie (62): "Tesla ist eine schillernde Figur. Er würde einen ganzen Film tragen."Table of ContentsEinleitung 11 1 Um Mitternacht 15 Familie Tesla in Smiljan 18 Der Unfall 21 Zur serbischen Geschichte 23 2 Das Staunen an der Welt 27 Von Gospić nach Karlovac und Graz (1862–1875) 27 Die Tesla-Methode 31 Tesla-Psychologie 34 Tesla inszeniert sich selbst 35 Matura 37 Nikola soll Priester werden 40 Tesla soll Soldat werden 42 3 Die Sonne als Modell – das Wechselstromsystem 45 Graz 1875–1878 45 Tesla, der Spieler 51 Budapest: Die Entdeckung des Wechselstromsystems 56 Tivadar Puskás – eine kleine Geschichte des europäischen Telefons 58 4 Nach Paris und New York 65 Die Empfehlung 65 Der Zauberer 67 Compagnie Edison Électrique 68 Gleichstrom oder Wechselstrom? 69 Swinging Paris 71 Probleme in Straßburg 72 Der erste Wechselstrommotor 76 Tesla, der Träumer 77 Gedankenprojektionen 78 Teslas Kopfkino 80 Teslas »automatische« Methode 81 Die Neue Welt 82 5 Neue Ideen für eine Neue Welt 85 Neue Ideen für eine Neue Welt 85 Edison Machine Works 87 Thomas Edison 88 Die »elektrische Welt« entsteht 90 Edisons »central stations« 91 Bye-Bye Edison 95 Das vergoldete Zeitalter 97 Tesla Electric Light and Manufacturing Company 99 Tesla Electric Company 101 George Westinghouse 102 Der Transformator 104 William Stanley und die erste AC-Anlage 105 Das rotierende magnetische Feld 107 Teslas »New York Lecture« 108 6 Der Stromkrieg 111 Wer hat’s erfunden: Ferraris oder Tesla? 111 Deptford Power Station – das modernste E-Werk der Welt 113 Westinghouse und die Tesla Electric Company 115 Der Vertrag mit Westinghouse 119 Tesla in Pittsburgh 121 Der »Todesstrom« 125 Teslas hochfrequente Wechselströme 129 Die Tesla-Spule 131 7 Der Stromkrieg II 137 Teslas Triumphe 137 Energieblitze im Äther 139 Der Zauberer von Paris 140 Abschied von der Heimat 142 Triumph in Belgrad, Disput in Bonn 143 Im Stromkrieg 145 Henry Villard 148 General Electric entsteht 149 Panik von 1893 151 Wechselstrom weltweit im Einsatz 152 Tesla entdeckt das Radio 155 Chicago leuchtet 159 8 Wechselstrom (AC) erobert die Welt 167 Weltruhm 167 Buffalo und Niagara 170 Tesla Superstar 174 Luka und Mrs. Filipov 176 Samuel Langhorne Clemens 180 Der Äther 182 High Society 187 Nikola Tesla Company 189 Deutsches Kapital für Niagara 190 Desaster 192 9 Das Leben geht weiter 197 Das Leben geht weiter 197 Kathedralen der Kraft 200 Swami Vivekananda 203 Freunde in der High Society 206 JJ Astor 207 X-Strahlen 208 Tesla am Niagara 212 Radio Tesla vs. Radio Marconi 214 Das Robot-U-Boot 218 10 Teslas »Welt-System« 223 Kohlen Marke »Tesla« 223 Tesla braucht Geld 224 Hotel Astoria 225 Experimentallabor in Colorado Springs 1899–1900 227 Teslas Verstärkungssender (»Magnifying transmitter«) 231 Tesla entdeckt »stehende Wellen« 231 Zurück in der »Peacock Alley« 237 Die Steigerung menschlicher Energie 238 1, 2, 3 … Mars 242 Strahlungsenergie 244 Ein himmlisches Paar 245 11 Wardenclyffe – Teslas WorldWideWireless 249 Der Tycoon geht an Bord 249 Die »Tesla Works« in Wardenclyffe 251 McKinley stirbt, Marconi sendet 255 Der »Wunder-Turm« von Wardenclyffe 257 Der verlorene Traum 262 Flucht nach vorn 264 12 Kampf um Wardenclyffe 269 Kampf um Wardenclyffe 269 Freie Energie für den Weltfrieden 271 Geld! Geld! Geld! 273 Die dunkle Seite 277 Das Ende der »vergoldeten Zeit« 279 Teslas Hybris 282 Tunguska 1908 284 Nobelpreis für Marconi und Braun 284 Die Tesla-Turbine 285 Die Hammond-Connection 288 Freunde gehen 291 Teslas Blue Portrait 292 13 Der zerstörte Traum 297 Der zerstörte Traum 297 Der Wissenschaftler von Gotham City 300 Das Ende der Alten Welt 301 Der Erste Weltkrieg und die Wirtschaft in den USA 303 Die Telefunken-Connection 304 Affäre Lusitania 307 Tesla, Tauben, Gusle 309 Die Affäre Marconi 310 Nobelpreis für Tesla und Edison 311 Bye-bye Waldorf=Astoria, bye-bye Wardenclyffe 312 Die Edison-Medaille 314 Wardenclyffe wird gesprengt 316 14 Magier der Science-Fiction Technologie 319 Teslas neue Heimat – der Electrical Experimenter 319 Radar 323 Die Turbine floppt 325 Tesla privat 329 Teslas letzte Freunde 331 Energie aus dem Universum 333 Das Luxusauto mit Raumantrieb 335 Teslas Todesstrahlenmaschine 337 Tesla, der Dichter 339 Teslas letzter Versuch 340 Tesla gegen Superman 343 15 Tesla stirbt nie 347 Der Neffe 347 Königlicher Besuch 349 Tesla wird zum »Alien« 351 Das Nikola Tesla Museum 355 Teslas Erbe 356 Radio, Todesstrahlen, »Philadelphia Experiment«, »Howitzer«, »Woodpecker«, HAARP 357 Das »Philadelphia Experiment« 359 Der »Tesla-Howitzer« 360 Der »Woodpecker« 361 Haarp 362 Das Schicksal von Wardenclyffe 363 Tesla und »Freie Energie« 364 Drahtlose Energieübertragung – gestern, heute, morgen 367 Ehrungen für Tesla 368 Tesla-TV, Tesla Motors 370 Tesla in den Medien 372 Register 377

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Book SynopsisMithilfe dieses Buches können Sie - einfach und verständlich angeleitet - üben, was Sie in der Elektrotechnik-Klausur unbedingt beherrschen sollten. Von einfachen elektrischen Stromkreisen über das ohmsche Gesetz bis hin zu magnetischen Feldern und den Grundlagen der Gleichstromtechnik sind alle wichtigen Themen vertreten. Schon bald werden Sie Aufgaben zu Widerstand, Kondensator und Kapazität, Spule und Induktion ganz selbstverständlich lösen. Dank zahlreichen Beispielen und ausführlichen Lösungen entdecken Sie Ihre Schwächen und überwinden Sie. Klausuren stellen kein Problem mehr für Sie dar. Die nächste Prüfung kann also kommen.Table of ContentsÜber den Autor 15 Danksagung 15 Einführung 25 Über dieses Buch 26 Konventionen in diesem Buch 27 Was Sie nicht lesenmüssen 27 Törichte Annahmen über den Leser 28 Wie dieses Buch aufgebaut ist 28 Teil I: Elektrizitätsmenge, Ladung und Strom 28 Teil II: Stromkreise und ihre Widerstände 29 Teil III: Elektrisches Feld und Kondensator 29 Teil IV: Magnetisches Feld und Spule 29 Teil V: Elektromagnetische Felder und der Gleichstrommotor 30 Teil VI: Grundlagen der Wechselstromtechnik 30 Teil VII: Der Top-Ten-Teil 30 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 31 Wie es weitergeht 31 Teil I Elektrizitätsmenge, Ladung Und Strom 33 Kapitel 1 Die wesentlichen mathematischen Grundlagen 35 Geradengleichung leicht gemacht 35 Der Logarithmus in seiner vollen Pracht 36 Eins, zwei oder drei – Dreiecke und ihre Winkel 37 Skalare und Vektoren 38 Aus zweimach eins: Vektoren addieren 39 Das Skalarprodukt verbindet Vektoren 40 Das Vektorprodukt mit dem Kreuz 40 Lineare Gleichungssysteme und der Gauß’sche Algorithmus 41 Ohne Schwingungen geht es nicht 43 Für die Ableitung gibt es keine Umleitung 44 Auch an der Integration führt kein Weg vorbei 46 Lösung einer Differenzialgleichung erster Ordnung 47 Das Wunder der komplexen Rechnung 49 Zeigerdarstellung in der Gauß’schen Zahlenebene 49 Addition und Subtraktion komplexer Zahlen 52 Kehrwert einer komplexen Zahl 52 Multiplikation und Division 53 Potenzieren und Radizieren 53 Differenzieren und Integrieren von Schwingungsfunktionen 53 Zu guter Letzt der Kosinussatz 54 Kapitel 2 Aus Ladung wird elektrischer Strom 57 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 58 Verwendete Einheiten 59 Aufgaben 59 Kapitel 3 Spannung braucht Widerstand 71 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 72 Verwendete Einheiten 73 Aufgaben 73 Kapitel 4 Aus Arbeit wird Leistung 83 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 84 Verwendete Einheiten 84 Aufgaben 85 Teil II Stromkreise Und Ihre Widerstände 97 Kapitel 5 Spannung ist Strom mal Widerstand 99 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 101 Verwendete Einheiten 102 Aufgaben 102 Kapitel 6 Ein Blick in die Steckdose 109 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 109 Verwendete Einheiten 110 Das Innenleben der Steckdose 110 Aufgaben 110 Kapitel 7 Widerstände – in Reihe und Parallel 119 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 119 Verwendete Einheiten 120 Aufgaben 120 Kapitel 8 Knoten für Ströme und Maschen für Spannungen 129 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 130 Verwendete Einheiten 130 Aufgaben 130 Teil III Elektrisches Feld Und Kondensator 161 Kapitel 9 Verschiebungsfluss und Flussdichte 163 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 164 Verwendete Einheiten 165 Aufgaben 166 Kapitel 10 Das Speichervermögen des Kondensators 191 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 192 Verwendete Einheiten 192 Aufgaben 193 Kapitel 11 Energie, Energiedichte, Lade- und Entladeverhalten des Kondensators 207 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 208 Verwendete Einheiten 208 Aufgaben 209 Teil IV Magnetisches Feld Und Spule 225 Kapitel 12 Das Durchflutungsgesetz und seine Wirkung 227 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 228 Verwendete Einheiten 229 Aufgaben 229 Kapitel 13 Das Ohm’sche Gesetz und Kräfte im Magnetfeld 257 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 258 Verwendete Einheiten 259 Aufgaben 259 Kapitel 14 Induktion und Selbstinduktion 289 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 290 Verwendete Einheiten 291 Aufgaben 291 Teil V Elektromagnetische Felder Und Der Gleichstrommotor 315 Kapitel 15 Magnetismus erzeugt Bewegung – der Gleichstrommotor 317 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 318 Verwendete Einheiten 319 Aufgaben 319 Teil VI Grundlagen Der Wechselstromtechnik 345 Kapitel 16 Auf und ab – sinusförmige Wechselgrößen 347 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 348 Verwendete Einheiten 349 Aufgaben 349 Kapitel 17 Grundschaltungen an sinusförmigen Wechselgrößen 375 Wichtigste Formeln für die folgenden Aufgaben 376 Verwendete Einheiten 377 Aufgaben 377 Teil VII Der Top-Ten-Teil 395 Kapitel 18 Zehn wichtige Erfinder der Elektrotechnik 397 Quantitative Elektrostatik 397 Teilchen beginnen zu wirken – CAde Coulomb 397 Strömung elektrischer Ladungen – der Gleichstrom 398 Froschschenkel und andere Kuriositäten – Luigi Galvani 398 Nerven und Muskeln enthalten Elektrizität – Alessandro Volta 398 Widerstand zwischen Spannung und Strom – GSOhm 399 Die Tücken von Knoten und Maschen – GRKirchhoff 400 Das Wunder des magnetischen Feldes 401 Die unheimliche Kraft des Stroms – HCOersted 401 Elektrische Ströme und Magnetismus sind eins – MFaraday 401 Die Welt der wechselwirkenden Ströme 403 Die Messung des elektrischen Stroms – A.-MAmpère 403 Vom dynamoelektrischen Prinzip zum Firmengründer – Wvon Siemens 403 Der Vater der Frequenzen – Heinrich Rudolf Hertz 405 Kapitel 19 Zehn wichtige Einheiten und deren Bedeutung 407 Ampere 407 Coulomb 407 Farad 407 Henry 408 Joule 408 Newton 408 Ohm 408 Tesla 408 Volt 408 Watt 409 Kapitel 20 Zehn Dekaden der Elektrizität im 19Jahrhundert 411 1800 bis 1810 411 1811 bis 1820 411 1821 bis 1830 412 1831 bis 1840 412 1841 bis 1850 412 1851 bis 1860 413 1861 bis 1870 413 1871 bis 1880 413 1881 bis 1890 414 1891 bis 1899 414 Kapitel 21 Meine zehn Lieblingsbücher für die Übungsaufgaben zur Elektrotechnik 415 Stichwortverzeichnis 417

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Book SynopsisSuchen Sie einen einfachen Einstieg in die Elektronik? Dann sind Sie hier richtig. In diesem Buch werden zunächst die wichtigsten Utensilien und Werkzeuge aufgeführt, die Sie zur Ausübung Ihres neuen Hobbys brauchen. Nebenher erfahren Sie gleich am Anfang, welche Funktionen die verschiedenen elektronischen Bauteile haben und wie Sie sie beim Basteln und Experimentieren einsetzen. Von der Theorie wird nur das Nötigste vermittelt. Schnell geht es an die Praxis: Schritt für Schritt bauen Sie einfache elektronische Schaltungen auf, deren Komplexität im Verlaufe des Buches zunimmt. Und am Schluss kommt die Kür: Bauen Sie eine Zeitschaltung, ein Lauflicht oder eine Sprechanlage! Lehnen Sie sich zufrieden zurück und betrachten Sie Ihr Werk! Und genießen Sie Ihren Wissenszuwachs!Table of ContentsÜber den Autor 11 Einführung 25 Über dieses Buch 25 Konventionen in diesem Buch 25 Was Sie nicht lesen müssen 26 Törichte Annahmen über den Leser 26 Wie dieses Buch aufgebaut ist 26 Teil 1: Bauteile, Werkzeuge und sonstige benötigte Dinge 26 Teil 2: Schaltzeichen und etwas Theorie 26 Teil 3: Die ersten praktischen Erfahrungen 27 Teil 4: Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren 27 Teil 5: Weitere Bauteile und Komponenten zum Elektronikbasteln 27 Teil 6: Der Top-Ten-Teil 27 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 27 Teil I Bauteile, Werkzeuge Und Was Sonst Noch Benötigt Wird 29 Kapitel 1 Grundbegriffe und die wichtigsten Bauelemente: IC, Transistor & Co 31 Vorweg ein paar Grundbegriffe 31 Aktive und passive Bauteile 33 Die wichtigsten Bauteile einzeln vorgestellt 34 Widerstand leisten 34 Kondensator 36 Richtungsweisend: die Diode 36 Aktiv schalten und verstärken mit dem Transistor 38 Leistungsstark: der Thyristor 38 Diac und Konsorten 39 Es werde Licht: die Leuchtdiode 40 Alles in einem: die integrierte Schaltung (kurz IC) 41 Integrierte Spannungsregler 42 Als kleiner Vorgeschmack: Schaltzeichen einiger elektronischer Bauteile 44 Kapitel 2 Werkzeuge und wichtige Utensilien fürs Elektronikbasteln – frisch ans Werk 45 Vorweg ein paar Worte zu den Werkzeugen 45 Schraubendreher – damit es auch rund geht 46 Die wichtigsten Arten von Zangen 47 Löten und entlöten, eine heiße Sache 49 Mit Multimeter und Oszilloskop messen, prüfen und testen 52 Kompakt und vielseitig einsetzbar: das Multimeter 52 Das Oszilloskop sorgt für den richtigen Durchblick 55 Bauteiletester für Kondensatoren, Transistoren und mehr 56 Weitere praktische Handwerkzeuge 56 Die wichtigsten Werkzeuge und Utensilien für den Anfang 57 Die Werkzeuge einschließlich Lötwerkzeugen 57 Messwerkzeuge & Co 57 Steckplatinen, Lochrasterplatinen und Zubehör 58 Der Stromverlauf auf einer Steckplatine 59 Kapitel 3 Batterien, Netzteile und andere Stromquellen – denn ohne Saft läuft nichts 61 Die richtige Stromversorgung für Elektronikschaltungen 62 Akkus und Batterien mit begrenzter Lebensdauer 62 Netzgeräte als zuverlässige und sichere Stromquellen 63 Wann ist elektrischer Strom gefährlich? 68 Sauer macht (nicht nur) lustig: die Zitronenbatterie 68 Kapitel 4 Kaufen kann jeder – hier werden auch Bauteile aus alten Schätzchen verwendet 71 Elektronische Bauteile einzeln und in Sortimenten kaufen 72 Widerstände, Kondensatoren, Transistoren und mehr - vielfältig, aber nicht wahllos 73 Andere Quellen für Bauteile, denn kaufen kann ja schließlich jeder 78 Safety first: einige notwendige Warnhinweise 78 Bei welchen Geräten sich das Ausschlachten lohnt und wo eher nicht 80 Was für Bauteile Sie für Schaltungen aus diesem Buch benötigen 84 Teil II Schaltzeichen, Spannung Und Strom Sowie Etwas Theorie 85 Kapitel 5 Viel mehr als Hieroglyphen: Schaltzeichen in Schaltbildern 87 Schaltbilder – die Sprache der Elektroniker 87 Was sind eigentlich Schaltzeichen und wofür werden sie benötigt? 88 Die ersten Hieroglyphen: Schaltzeichen der wichtigsten Bauteile 88 Wie Schaltbilder aufgebaut sind 95 Schluss mit den Hieroglyphen: Schaltbilder lesen lernen für technische Laien 95 Hinweise und Hilfen zum Lesen von Schaltbildern 99 Beispielschaltbild eines Lauflichts – wenn Lichter laufen lernen 100 Übung macht den Meister: Schaltbilder selber anfertigen 102 Computergestützte Schaltbilderstellung mit Freeware oder kommerzieller Software 102 Kapitel 6 Der elektrische Stromkreis: Jetzt geht es rund 103 Was ist ein elektrischer Stromkreis? 103 Der offene und der geschlossene Stromkreis 104 Es werde Licht: Stromkreis mit Batterie, Schalter und Lampe oder LED 105 Ursache und Wirkung: Spannung, Strom und Widerstand im elektrischen Stromkreis 106 Alles zusammen: die Gesetzmäßigkeiten im Stromkreis 109 Immer schön der Reihe nach: die Stromrichtung im Stromkreis 111 Manchmal führen mehrere Wege zum Ziel: Parallelschaltungen in elektrischen Stromkreisen 114 Stromkreise mit Reihenschaltungen 114 Alles sicher: die Sicherung im Stromkreis 115 Wechselspannung und Wechselstrom im Stromkreis 117 Kapitel 7 Spannung, Strom und Widerstand 123 Auf oder ab: die elektrische Spannung und das Spannungsgefälle 124 Spannende Sache: Spannungsunterschiede und Spannungsgleichheiten bei mehreren pannungsquellen 125 Stromquellen und Ströme in Stromkreisen 127 Alles hängt zusammen: Strom, Spannung, Widerstand und Leistung 128 Widerstand regt sich überall: Leiter, Nichtleiter und Etwas-abernicht- ganz-so-gut-Leiter 128 Leistungsstark: Spannung, Strom und die elektrische Leistung 132 Von Knoten und Maschen: die kirchhoffschen Regeln 132 Spannungsquellen mit eingebautem Stromklau: der Innenwiderstand von Spannungsquellen 134 Stromfluss nach Maß: Strom und Spannung mit einem Widerstand gezielt beeinflussen 140 Kapitel 8 Einige Formeln und weitere wichtige Größen 143 Einheitlich und übersichtlich: die wichtigsten Einheiten und dazugehörigen Formelzeichen 144 Spannung, Strom, Widerstand und Leistung – die »Basics« 145 Ein Kapitel für sich: Widerstandsberechnungen in Reihen-, Parallel- und Mischschaltungen von Widerständen 147 Ladung, Kapazität, Induktivität und Leitfähigkeit – weitere wichtige Größen 153 Leiter oder nicht - Stoffe und ihre elektrische Leitfähigkeit 157 Leistungsstark: verschiedene Arten von Leistung 157 Leistungen in Stromkreisen berechnen 158 Teil III Jetzt Geht Es Endlich An Die Praxis –Planen, Aufbauen Und Messen 161 Kapitel 9 Erste einfache Stromkreise und Schaltungen aufbauen 163 Stromkreise im Schaltbild 164 Verdrahtungen in Geräten der Unterhaltungselektronik aus verschiedenen Epochen 166 Einige Grundschaltungen zum Ausprobieren und Experimentieren 168 Spannungsbegrenzer: die Z-Diode 178 Kapitel 10 Messen von Spannungen, Strömen und Widerständen in Schaltungen 183 Die wichtigsten elektrischen Größen durch Messungen feststellen mit analogen und digitalen Messgeräten 184 Mittel zum Zweck: analoge und digitale Messgeräte und ihre Eigenheiten 185 Sicherheitshalber: einige grundsätzliche Hinweise zu den Messungen 186 Grundlegend: erste Messungen an elektronischen Schaltungen 187 Mittendrin statt nur dabei: Ströme in elektronischen Schaltungen messen 193 Weitere Messungen und Prüfungen, die Sie mit dem Multimeter durchführen können 195 Das Multimeter als Durchgangsprüfer: Bahn frei für den elektrischen Strom 195 Dioden überprüfen mit dem Diodentester im Multimeter 196 Der Transistortest mit dem Multimeter 197 Multifunktional: weitere Messbereiche an modernen Multimetern 199 Dinge, die Messungen und Bauteileprüfungen erleichtern können 199 Nicht von der Stange: selbst angefertigte Messleitungen und Prüfadapter 200 Universell einsetzbar: Testgeräte für unterschiedliche Bauteile 202 Kapitel 11 Einfache Transistorschaltungen zum Nachbauen und Experimentieren 203 Zur Grundfunktion eines Transistors 205 Anwendungsbereiche und unterschiedliche Arten von Transistoren 206 Vielseitig: Schalten, regeln oder verstärken mit dem Transistor 207 Vielfältig: die wichtigsten Arten von Transistoren 207 Bauformen beziehungsweise Gehäuseformen von Transistoren 209 Vielfältig einsetzbar: Transistortypen und ihre Eigenschaften 209 Schalten und walten: Transistoren als elektronische Schalter 210 Dimmer selbstgemacht: stufenlos regeln statt schalten 212 Hochempfindlich: Sensortaster mit dem Transistor 213 Eile mit Weile: LED mit einem NPN-Transistor langsam hochund herunterregeln 214 Zwei NPN-Transistoren in der Darlingtonschaltung: Zwei sind besser als einer 216 Der Stromfluss bei PNP-Transistoren mit Beispielen 217 Kapitel 12 Blinken, schalten und tönen mit Transistoren 219 Auf der Kippe: monostabile, bistabile und astabile Kippschaltungen 219 Die bistabile Kippstufe: entweder – oder 220 Die monostabile Kippstufe: nur einseitig stabil 221 Die astabile Kippstufe: eine unstete Sache 223 Beispielschaltungen zur astabilen Kippstufe als Blink- und Blitzlicht 224 Schluss mit der Ruhe: astabile Kippstufen zur Tonerzeugung verwenden 227 Mit Licht und Transistoren schalten 228 Einfache Lichtschranke mit LDR 228 Dreifach-Lauflicht mit LEDs 231 Zur Beschaltung von PNP-Transistoren 232 Kapitel 13 Starke Sache: Signale und Ströme mit Transistoren verstärken 235 Vielseitig: verschiedene Anwendungsgebiete für Verstärkerschaltungen 236 Aufbau einer Verstärkerschaltung mit einem Transistor 237 Einfache Verstärkerschaltungen mit Transistoren 237 Aus leise wird laut: Audiosignale und Wechselspannungen verstärken 239 Ein konkretes Beispiel für eine Verstärkerschaltung 240 Gemeinsam sind sie stark: mehrere Verstärkerstufen in einer Verstärkerschaltung 241 Einfache Geräuschanzeige mit Mikrofon und LED 244 Darf es etwas mehr Leistung sein? Gegentaktverstärker mit Transistoren 245 Einfach praktisch: der Gegentaktverstärker für den Batteriebetrieb 247 Verstärkerschaltungen mit Feldeffekttransistoren (FETs) 249 Kapitel 14 Tausendfüßler und Tausendsassa: integrierte Schaltungen 251 Vor- und Nachteile integrierter Schaltungen 252 Analoge und digitale ICs 253 Wie sehen integrierte Schaltungen aus? 253 Richtig identifiziert: die Anschlüsse von integrierten Schaltungen 255 Deutlich gekennzeichnet: ICs in Schaltbildern 256 Einfach stark: Verstärkerschaltungen mit ICs 257 Zeitmaschine: das Timer-IC NE555 260 Zu den wichtigsten Anschlüssen des NE555 260 Monostabil, bistabil und astabil schalten mit dem NE555 262 Weitere Möglichkeiten, die der NE555 bietet 272 Die Tonerzeugung mit dem NE555 272 Kapitel 15 Digitaltechnik und Digitale ICs: an oder aus, entweder – oder 277 Und-, Oder-, Nicht-Schaltungen und deren buckelige Verwandtschaft 277 Von UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfungen – die einfachsten Digitalgatter 278 Bits und Bytes: 1 und 0, an oder aus 282 IC-Logikgatter: logische Funktionen in einem Gehäuse 285 Starke Familien: TTL- und CMOS-ICs 285 Logik-ICs in der Praxis einsetzen 287 Logikgatter in Schaltbildern 288 Teil IV Einige Projekte Zum Nachbauen Und Experimentieren 293 Kapitel 16 Ein paar Schaltungen mit dem Timer-IC NE555 295 Bezeichnungen und Gehäuseformen des NE555 296 Der NE555 hört auf viele Namen und Bezeichnungen 296 Andere Ausführungen des NE555 297 Damit alles reibungslos funktioniert: wichtige Hinweise zum Einsatz der Timerbausteine 298 Schaltungen mit dem NE555 bauen 299 Effektvoll: Blink- und Lauflichter mit dem NE555 299 Empfindlich: Sensortaster mit dem NE555 300 Immer in Bewegung: Lauflicht mit NE555 und CMOS-IC 4017 302 Effektvolles Fünffach-Lauflicht 304 Zweckentfremdet: NE555 als Verstärker 306 Schmitt-Trigger mit dem NE555: an und aus statt viel und wenig 307 Lautstark: Beispiele für Tongeneratoren mit dem NE555 309 NE555 mit Nachbrenner: hohe Lasten und Lautsprecher mit dem IC ansteuern 314 Kapitel 17 Strom und Magnetismus: Elektromagneten und die elektromagnetische Induktion 321 Anziehend und abstoßend: der Elektromagnetismus 322 Ein einfacher selbst gebauter Elektromagnet 322 Praktische Sache: Elektromagneten in der Praxis 323 Die elektromagnetische Induktion: Strom aus Magneten 325 Allgegenwärtig: elektrischer Strom und Magnetismus 326 Tonempfindlich: das Mikrofon 326 Wandlungsfähig: Transformatoren als Spannungswandler 327 Kraftwerk für die Hosentasche: Elektromotor als Stromgenerator 329 Aus weniger wird mehr: Spulen als Energiespeicher 330 Die Induktivität von Spulen 332 Was es mit dem induktiven Widerstand auf sich hat 334 Spannungsvervielfachung durch Selbstinduktion 334 Der elektrische Schwingkreis 337 Gute Schwingungen: der Schwingkreis im Oszillator 339 Oszillatorschwingungen einfach erzeugt mit dem Differenzverstärker- Oszillator 339 Drahtlose Energieübertragung 341 Kapitel 18 Einige interessante Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren 343 Lichtblick: Audiosignale mithilfe von Licht übertragen 344 Ohne Sender kein Empfang: der optische Sender 344 Allzeit guten Empfang: die Empfängerschaltung 346 Die Reichweite dieser Schaltung und weitere Versuche 346 Unsichtbar: Infrarot-LEDs statt superheller LEDs verwenden 347 Experimentieren Sie ruhig mit dieser Schaltung 348 Warum so umständlich? Warum Modulationsverfahren angewandt werden 348 Kommunikationsfreudig: Sprechanlage für mehrere Teilnehmer 349 Zur Sternverteilung und Busverteilung 350 Die Sprechanlage bietet flexible Anschlussmöglichkeiten 351 Kommunikation ist alles: senden und empfangen mit der Sprechanlage 352 Wenn die Schaltung mit weiteren Sprechstellen versehen wird 354 Musikalische Bastelei: Tonfolgegenerator mit NE555 und Zählerbaustein 4017 355 Mögliche Modifikationen dieser Schaltung 357 Die Tonhöhe für jeden Ton stufenlos einstellen 358 Teil V Weitere Interessante Bauteile Und Komponenten 363 Kapitel 19 Widerstände für spezielle Einsatzgebiete 365 Unscheinbar und unverzichtbar: »Normale« Widerstände 366 Verschiedene Materialien bedeuten unterschiedliche Eigenschaften 367 Ganz speziell: Widerstände mit besonderen Eigenschaften 368 Heiß und kalt: temperaturabhängige Widerstände 368 Licht und Widerstand: Fotowiderstände oder auch lichtempfindliche Widerstände 370 Spannung und Widerstand: spannungsabhängige Widerstände 371 Künstliche Last für Energiequellen: Lastwiderstände 372 Hochpräzise Bauteile: Messwiderstände 373 Widerstand mit Sicherheit: Sicherheitswiderstände 375 Widerstandsnetzwerke - mehrere auf einmal 375 Anwendungsbeispiele für Spezialwiderstände 376 Temperaturabhängig schalten mit einem NTC 376 Spannungsabhängige Widerstände als Schutzelemente 379 Kapitel 20 Unterschiedliche Arten von Dioden und Transistoren und deren Einsatz 383 Zur Funktion der Diode als Gleichrichterbauteil 384 Die Ventilwirkung der Diode bei Wechselstrom 384 Spannungsimpulse glätten mit einem Ladekondensator 385 Viel effektiver: die Zweiweggleichrichtung mit der Graetzbrücke 386 Eine weitere Möglichkeit: der Mittelpunktgleichrichter 388 Stabile Sache: die Spannungsstabilisierung mithilfe einer Z-Diode 389 Spannungsbegrenzung und Spannungsstabilisierung mit der Z-Diode 389 Nur gemeinsam stark: Z-Dioden und Vorwiderstand 390 Wichtige Kenndaten einer Z-Diode 391 Die Berechnung des Vorwiderstandes 391 Die Verlustleistung am Vorwiderstand 392 Schnelle Dioden: Schottky-Dioden und ihre speziellen Eigenschaften 393 Der Unterschied zu herkömmlichen Dioden 393 Was beim Einsatz von Dioden zu beachten ist 393 Bauformen von Transistoren 394 Wichtige Arten von Transistoren für spezielle Einsatzgebiete 394 Leistungsstark: Transistoren für hohe Leistungen 396 Immer cool bleiben: Leistungstransistoren mit Kühlkörpern 396 Wichtig für die Wärmeableitung: Wärmeleitpaste 398 Leistungstransistoren ansteuern 398 Kapitel 21 Diac, Triac und Co.: weitere wichtige Bauteile 401 Der Diac: unscheinbar und oft nicht beachtet 402 Der Durchbruch: die Durchbruchspannung bzw Zündspannung von einem Diac 404 Der Haltestrom: was es damit auf sich hat 404 Der Triac: anschlussfreudiger als ein Diac 404 Einsatzbereit: der Triac und seine Funktion in einer Schaltung 405 Einen Triac in Betrieb nehmen 406 Der Triac und der Gleichstrom 407 Die Schaltung funktioniert nicht? 408 Schalten mit Licht: der Optotriac oder auch Fototriac 409 Der Thyristor als elektronischer Schalter 410 Das Abschalten des Thyristors 410 Einsatzgebiete von Thyristoren 411 Ersatzweise: die Thyristor-Ersatzschaltung mit Transistoren 411 Eine kleine Versuchsschaltung mit Transistoren 412 Teil VI Der Top-Ten-Teil 415 Kapitel 22 Zehn Dinge und weitere Informationen für (Hobby-) Elektroniker 417 Entdeckungsreise: das Internet als Informations- und Ideenquelle nutzen 418 (Bewegte) Bilder sagen mehr als 1000 Worte: Elektronikvideos 418 Simulant: Elektroniksimulationen helfen beim Verstehen 419 Die Elektroniksimulation online 419 Die Klassiker: mit Elektronikbaukästen Theorie und Praxis lernen 420 Ohne Handbuch geht es (vorerst) nicht 421 Schnellstart für Ungeduldige: Bausätze und Elektronikkits nutzen 421 Genügend Spielraum zum Experimentieren 422 Ausschlachten und (nicht nur) elektronische Bauteile gewinnen 423 Bei welchen Geräten lohnt es sich? 423 Klein, kleiner, SMD 424 Sichere Erkenntnis: Messungen helfen beim Verstehen von elektronischen Schaltungen 424 Auch Widerstandsmessungen und Strommessungen sind wichtig 424 Bilder sagen mehr als 1000 Worte: Oszillogramme lesen (und) lernen 425 Wann Oszillogramme für Sie besonders interessant sein können 425 Für alle Fälle gewappnet: die Fehlersuche mit Signalgebern 426 Signale mit dem NE555 erzeugen 426 Spezielle ICs als Signalgeneratoren nutzen 426 Den Computer als Signalgenerator verwenden 426 Mikrocontroller verwenden 427 Mikrocontroller als kleine und unsichtbare Helfer 427 Vorteile von Mikrocontrollern 427 Zu guter Letzt: testen, testen, testen 428 Ein bisschen Schwund gibt‘s immer 429 Stichwortverzeichnis 431

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Book SynopsisSie sind neugierig, wie Scrum zur Verbesserung Ihrer Arbeitsabläufe beitragen kann? Dann ist dieses Buch genau das richtige für Sie. Es erklärt Ihnen, was Scrum ist und wie genau es funktioniert. Lernen Sie die verschiedenen Rollen wie Product Owner und Scrum Master kennen, planen Sie Meetings und Sprints, erstellen Sie Scrum-Boards und organisieren Sie Daily Scrums. Außerdem erfahren Sie, wie Sie Scrum auch mit mehreren Teams erfolgreich einsetzen und erhalten viele nützliche Tipps für Ihr erstes Scrum-Projekt. So können Sie schon bald Ihre erste User Story auf »done« setzen und Ihr Projekt erfolgreich abschließen.Trade Review"... Das Handbuch des erfahrenen Autors ist ein gut strukturierter, praxisnaher, kompakter Einstieg für alle, die sofort mit Scrum beginnen möchten." (GetAbstract im Juni 2019)Table of ContentsVorwort 9 Über den Autor 11 Danksagung 13 Einleitung 23 Warum Scrum? 23 Törichte Annahmen über die Leser 24 Wie dieses Buch aufgebaut ist 25 Teil I: Die Rollen 25 Teil II: Die Listen 25 Teil III: Die Meetings 25 Teil IV: Der Top-10-Teil 25 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 26 Teil I Die Rollen 27 Kapitel 1 Das ist Scrum und so funktioniert es 29 Scrum und agile Softwareentwicklung 29 Wie funktioniert Scrum? 30 Drei Rollen 31 Zwei Listen 33 Vier Meetings 33 Kapitel 2 Der Product Owner 35 Die Rolle des Product Owners 35 Backlog-Management 37 Stakeholder-Management 38 Inventarisieren der Stakeholder 38 Meetings mit den Stakeholdern 39 Die Arbeit mit dem Development-Team 40 Release Management 41 Vision Statement 42 Dann aber auch releasen 44 Eigenschaften eines Product Owners 44 Product Owner und Technik 46 Ein Tag im Leben eines Product Owners 47 Kapitel 3 Der Scrum Master 53 Die Rolle des Scrum Masters 53 Unterstützung für Scrum organisieren 54 Die Spielregeln durchsetzen 56 Hilfsmittel für den Scrum Master 59 Die fünf Scrum-Prinzipien 60 Das Agile Manifest 61 Hindernisse aus dem Weg räumen 63 Der Veränderungsmanager 67 Ein Tag im Leben eines Scrum Masters 68 Kapitel 4 Das Team 73 Die Rolle des Teams 73 Arbeiten in Iterationen 75 Warum schätzen? 78 Arbeit schätzen 80 Im Sprint 82 Sprint Planning I 82 Sprint Planning II 82 Die eigentliche Arbeit 84 Sprint Review 89 Sprint-Retrospektive 89 Ein Tag im Leben eines Teammitglieds 91 Teil II Die Listen 95 Kapitel 5 Das Product Backlog 97 Das Ziel des Product Backlogs 97 Priorisieren 99 User Storys 102 Schätzen 104 Product Backlog Items aufteilen 107 Beispiel für ein Product Backlog 113 Kapitel 6 Das Sprint Backlog 115 Das Ziel des Sprint Backlogs 115 Von Storys zu Aufgaben 117 Berichte und Tools 119 Kapitel 7 Definition of Done 123 Das Ziel der Definition of Done 123 Bestandteile der Definition of Done 125 Die Definition of Done erfüllen 127 Kapitel 8 Burndowns 129 Den Fortschritt im Auge behalten 129 Der Release Burndown 130 Der Sprint Burndown 132 Scrumboard 134 Teil III Die Meetings 137 Kapitel 9 Sprint Planning Meeting 139 Product Backlog Refinement 140 Die Definition of Ready 140 Sprint Planning I 142 Umfang festlegen 142 Wie viel Arbeit? 143 Ablauf des Meetings 143 Sprint Planning II 145 Product Owner anwesend 147 In Aufgaben zerlegen 147 Noch einmal schätzen? 148 Commitment 149 Kapitel 10 Der Daily Scrum 151 Arbeitsbesprechung 151 Chicken and Pigs 153 Soziale Kontrolle? 154 Der Product Owner 155 Das Scrumboard aktualisieren 155 Kapitel 11 Sprint Review 157 Die Bedeutung von Feedback 157 Das Meeting: Mehr als eine Demo 158 Die Demo 159 Das Feedback 161 Aktionen definieren 162 Kapitel 12 Sprint-Retrospektive 163 Nehmen Sie sich Zeit zur Reflexion 163 Stimmung schaffen 164 Product Owner bei der Retrospektive? 165 War da was? 166 Einsichten gewinnen 167 Aktionen 169 Die Routine durchbrechen: Retro-Formen 171 Kapitel 13 Der Sprint 175 Ziel eines Sprints 175 Die Dauer eines Sprints 176 Kapitel 14 Scrum mit mehreren Teams 179 Regel 1: Finger weg! 179 So wird skaliert 180 Phase 1 180 Phase 2 183 Phase 3 184 Teil IV Der Top-Ten-Teil 187 Kapitel 15 Zehn Gründe, mit Scrum zu arbeiten 189 Mehr Ware fürs Geld 189 Mehr Kontrolle 189 Zufriedene Nutzer 189 Bessere Qualität 190 Business-Case-Validierung 190 Besserer Anschluss beim Auftraggeber 190 Weniger Bürokratie 190 Kleine Organisationen skalieren 191 Wissen teilen 191 Mehr Spaß 191 Kapitel 16 Zehn Tipps für Ihr erstes Scrum-Projekt 193 Nehmen Sie ein Business-Projekt 193 Nehmen Sie ein kleines Projekt, … 193 … aber nicht zu klein … 194 … und außerdem wichtig! 194 Verkaufen Sie kein Scrum 194 Sorgen Sie für Unterstützung auf allen Ebenen der Organisation 195 Haben Sie keine Angst vor einem Misserfolg 195 Kommunizieren Sie und seien Sie transparent 195 Haben Sie Mut 195 Feiern Sie Ihre Erfolge 196 Kapitel 17 Zehn Schritte zum Start eines Scrum-Projekts 197 Sorgen Sie dafür, dass Sie einen Product Owner haben 197 Schreiben Sie ein Vision Statement 197 Legen Sie die erste Version des Product Backlogs an 197 Suchen Sie einen Scrum Master 198 Sorgen Sie für Vollmacht vom Management 198 Suchen Sie ein Team 198 Formulieren Sie eine Definition of Done 198 Organisieren Sie ein Product Backlog Refinement Meeting mit dem Team 198 Richten Sie einen Teamraum ein 199 Beginnen Sie mit dem ersten Sprint 199 Kapitel 18 Zehn Tipps zur Arbeit mit Planungspoker 201 Schätzen 201 Reihenfolge 201 Ausreißer 201 Fragezeichen 202 Exponentiell 202 Konzentration 202 Keine Annahmen 202 Fixpunkte 202 Relativ 203 Priorität 203 Stichwortverzeichnis 205

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Book SynopsisArbeiten auch Sie nach DevOps-Prinzipien? Sollen oder wollen Sie umstellen? Was ist wichtig? Worauf kommt es an? Das Ziel von DevOps ist, dass Softwareentwicklung und IT-Auslieferung Hand in Hand arbeiten. Das ermöglicht schnellere Release-Zyklen und schont die Ressourcen. Wie das im Einzelnen geht, zeigt dieses Buch. Es stellt eine Roadmap für die Umstellung zur Verfügung, nennt notwendige Management- und Technologie-Entscheidungen und -Tools und scheut auch nicht davor zurück, notwendige Unternehmenskulturänderungen zu benennen, damit der Sprung ins DevOps-Gewässer gelingt.Table of ContentsÜber die Autorin 9 Vorwort 11 Einleitung 25 Über dieses Buch 25 Törichte Annahmen über den Leser 25 Symbole in diesem Buch 26 Wie geht es weiter? 26 Teil I: DevOps entmystifizieren 27 Kapitel 1 Einführung in DevOps 29 Was ist DevOps? 29 DevOps hat sich aus Agile entwickelt 30 DevOps stellt Menschen in den Mittelpunkt 30 Unternehmenskultur ist die Grundlage von DevOps 30 Sie lernen, indem Sie den Prozess überwachen und Daten sammeln 31 Überzeugungskraft ist der Schlüssel zur Umsetzung von DevOps 31 Kleine, inkrementelle Änderungen sind unbezahlbar 32 Von DevOps profitieren 32 Das CALMS-Modell 33 Das Problem der Interessenskonflikte lösen 35 Kapitel 2 Gestalten Sie Ihre Organisation 37 Die Gesundheit Ihrer Unternehmenskultur bewerten 38 DevOps integrieren 39 Die DevOps-Werte im Einzelnen 40 Teamwork fördern 40 Silos reduzieren 41 Denken Sie systemorientiert 41 Fehlschläge akzeptieren 41 Kommunizieren, kommunizieren, kommunizieren 42 Rückmeldungen entgegennehmen 42 Abläufe automatisieren (falls sinnvoll) 43 Die Unternehmenskultur formen 43 Die schlimmsten Fehler der Technologiekultur vermeiden 45 Eine Vision entwerfen 46 Auf ein gemeinsames Ziel hinarbeiten 47 Beurteilungen 48 Prämien 49 Kapitel 3 Überflüssiges erkennen 51 Die sieben Arten von Verschwendung 52 Unnötige Abläufe 52 Wartezeiten 52 Bewegung 53 Kosten für Fehler 53 Überproduktion 53 Transport 53 Lagerbestand 54 Verschwendung in DevOps verstehen 54 Verschwendung vermeiden 56 Flaschenhälse erkennen 56 Auf die Auswirkungen konzentrieren 59 Kapitel 4 Die Kollegen überzeugen, es mit DevOps zu probieren 61 Angst vor Veränderungen 61 Die Leute um Sie herum vom Wechsel zu DevOps überzeugen 63 Unterstützung von Führungskräften erhalten 65 Eine Dünung im Entwicklungsteam aufbauen 66 Die mittleren Manager managen 67 Die Sturköpfe überzeugen 68 Die Adaptionskurve verstehen 69 Den Wandel vorantreiben 71 Auf Gegenwind reagieren 72 Den Abgrund überqueren 72 Fragen Sie »warum« 73 Kapitel 5 Ihr Unternehmen beurteilen 75 DevOps quantifizieren 77 Menschen 77 Abläufe 78 Technologie 79 Die Daten erheben 80 Interne Fallstudien entwickeln 80 Eine qualitative Fallstudie: Konzentrieren Sie sich auf Ihre Mitarbeiter 81 Eine quantitative Fallstudie: Konzentrieren Sie sich auf Deployments 83 Teil II: Eine Pipeline einrichten 85 Kapitel 6 Den neuen Entwicklungslebenszyklus übernehmen 87 Alle an einen Tisch bitten 87 Prozesse umwandeln: Von der Linie zum Kreis 88 Administrative Aufgaben »nach links« schieben: über Infrastruktur nachdenken 92 Auch Deployments nach links verschieben 93 Simulation der Produktion durch Staging 93 Kapitel 7 Vorausplanen 95 Über das Agile-Modell hinausgehen 95 Herausforderungen vorhersehen 97 Herausforderungen und Einschränkungen bei Projekten identifizieren 98 Zeitplan 98 Budget 99 Anforderungen bestimmen 99 Ein MVP entwickeln 100 Herausfinden, welches Problem Ihr MVP lösen muss 101 Herausfinden, wer Ihre Kunden sind 102 Die Konkurrenz unter die Lupe nehmen 102 Funktionen priorisieren 103 Die Benutzererfahrung gestalten 104 Ihre Hypothese überprüfen 105 Beta-Release, ja oder nein? 106 Personas entwerfen, um Ihre Kunden besser kennenzulernen 106 Was ist eine Persona? 107 Eine Persona ausarbeiten 107 Kapitel 8 Aus der DevOps-Perspektive designen 109 Ihr Design konstruieren 110 Für DevOps gestalten 112 Softwareentwicklung für den Wandel 112 Software kontinuierlich verbessern 113 Ihre Software dokumentieren 114 Codearchitektur für die sechs Leistungsmerkmale von DevOps 115 Wartungsfreundlichkeit 116 Skalierbarkeit 116 Sicherheit 118 Benutzerfreundlichkeit 119 Zuverlässigkeit 120 Flexibilität 120 Designentscheidungen dokumentieren 121 Fallstricke bei der Architektur vermeiden 122 Kapitel 9 Code entwickeln 125 Kommunikation rund um den Code 125 Für den Fehlerfall entwickeln 128 Wartungsfreundlichen Code schreiben 128 Code testen 129 Code debuggen 129 Code protokollieren 130 Unveränderbaren Code schreiben 130 Lesbaren Code erstellen 131 Programmiermuster 131 Objektorientierte Programmierung 131 Funktionale Programmierung 132 Eine Programmiersprache wählen 132 Anti-Patterns vermeiden 133 Nach DevOps-Prinzipien entwickeln 134 Sauberen Code schreiben 135 Das Geschäft verstehen 135 Anderen zuhören 135 Die richtigen Schwerpunkte setzen 136 Die Komfortzone verlassen 136 Gute Vorgehensweisen etablieren 137 Ordnung im Quellcode halten 137 Tests schreiben 137 Features dokumentieren 138 Legen Sie den Kollegen Ihren Code zur Kontrolle vor 139 Kapitel 10 Tests vor der Veröffentlichung 141 Warum Tests? 141 Automatisierte Tests sind nicht optional 142 Testen in verschiedenen Umgebungen 143 Lokale Umgebung 144 Entwicklungsumgebung 144 Testumgebung 145 Staging-Umgebung 146 Produktionsumgebung 146 Über den Komponententest hinaus 147 Komponententests: Es lebt! 147 Integrationstests: Spielen alle Teile zusammen? 148 Regressionstests: Verhält sich der Code nach Änderungen noch genauso? 148 Visuelle Tests: Sieht alles noch genauso aus? 148 Performance-Tests 149 Kontinuierliches Testen 149 Kapitel 11 Ein Produkt deployen 151 Code freigeben 151 Kontinuierliche Integration und Auslieferung 152 Von CI/CD profitieren 152 CI/CD implementieren 153 Kontinuierliche Integration 153 Kontinuierliche Bereitstellung 154 Kontinuierliches Deployment 154 Deployments managen 155 Richtig automatisieren 155 Versionierung 156 Fehler abmildern 158 Rollbacks 158 Flucht nach vorne 159 Deployments demokratisieren 159 Einen Deployment-Stil wählen 160 Blue-Green-Deployment 160 Schrödingers Kanarienvogel: Der Deploy ist tot (oder doch nicht?) 162 Rolling Release 163 Feature-Flags 165 Ihre Systeme überwachen 165 Telemetrie verstehen 166 Verhalten aufzeichnen 166 SLAs, SLIs und SLOs 167 Teil III: Den Kreis schließen 169 Kapitel 12 Rapid Iteration implementieren 171 Wichtige Aufgaben zuerst 172 Wichtig und dringend 173 Wichtig, nicht dringend 173 Dringend, nicht wichtig 175 Weder wichtig noch dringend 176 Schneller werden 177 Die Performance verbessern 180 Unvollkommenheit akzeptieren 181 Kleine Teams gestalten 181 Ihre Arbeit nachverfolgen 182 Reibung verringern 183 Warnmeldungen menschlicher gestalten 183 Kapitel 13 Feedback-Schleifen rund um den Kunden einrichten 185 Einen Kundenrückmeldungsprozess erstellen 186 Eine Feedback-Schleife erstellen 187 Empfangen 187 Analysieren 188 Kommunizieren 188 Verändern 189 Feedback sammeln 190 Umfragen zur Zufriedenheit 190 Fallstudien 191 Dogfooding: Selbstanwendung 191 Um kontinuierliche Rückmeldung bitten 193 Promotorenüberhang: Net Promoter Score (NPS) 194 Einen Rhythmus finden 194 Kapitel 14 DevOps-Teams zusammenstellen 197 DevOps-Teams formen 197 So funktionieren funktionale Teams 198 Ein spezielles DevOps-Team bereitstellen 199 Funktionsübergreifende Produktteams bilden 200 Schnell zum Vorstellungsgespräch (aber nicht zu schnell) 202 Eine Stellenbezeichnung wählen 203 Die Personalbeschaffung endet nie 205 Die richtigen Leute finden 206 Hervorragende Kandidaten weiterreichen 206 Technische Fähigkeiten bewerten 207 Überarbeitetes Whiteboarding 207 Hausaufgaben 208 Code-Reviews 209 Schnell feuern 209 Das Ekel 210 Der Märtyrer 211 Der Underperformer 211 Kapitel 15 Eigenverantwortung für die Entwickler 213 Entwicklungsteams mit DevOps skalieren 213 Drei Phasen eines Unternehmens 214 Start-up 215 Etabliertes Start-up oder mittelständisches Unternehmen 215 Großunternehmen 216 Die Mühen der Ebene 218 Die Motivation ergründen 219 Motivation für Entwickler 220 Abhängigkeit von extrinsischen Belohnungen vermeiden 220 Autonomie 221 Meisterschaft 221 Sinnhaftigkeit 222 Arbeit zum Vergnügen machen 222 Den Leuten die Möglichkeit geben, ihre Teams auszuwählen 223 Motivation messen 223 Teil IV: Kaizen: die Kunst der kontinuierlichen Verbesserung 225 Kapitel 16 Erfolgreich mit Fehlschlägen umgehen 227 Schnelles Scheitern im Tech-Bereich 227 Sicheres Scheitern 228 Fehlerausbreitung einschränken 228 Menschliches Versagen akzeptieren – und keine Schuldzuweisungen! 229 Gut scheitern 230 Wachstumsmentalität 230 Die Freiheit zum Scheitern schaffen 231 Kapitel 17 Auf Zwischenfälle vorbereitet sein 235 Mit Automatisierung gegen »menschliches Versagen« ankämpfen 236 Fokussierung auf Systeme: realistische Automatisierung 237 Mit Automatisierungstools Probleme bei der Codeintegration vermeiden 238 Deployments und Infrastruktur managen 240 Overengineering eingrenzen 240 Bereitschaftsdienste menschlicher gestalten 242 Wenn Bereitschaftsdienste unmenschlich werden 242 Humane Erwartungen an den Bereitschaftsdienst 243 Notfallmanagement 245 Beständigkeit zum Ziel machen 246 Standardverfahren einführen 247 Ein realistisches Budget ansetzen 248 Reaktion auf Vorfälle vereinfachen 248 Auf eine ungeplante Unterbrechung reagieren 249 Fortschritt empirisch messen 253 MTTR: Mean Time to Repair 253 MTBF: Mean Time between Failures 254 CPI: Cost per Incident 254 Kapitel 18 Vorfälle nachträglich untersuchen 255 Über die Analyse der Grundursache hinaus 255 Die einzelnen Phasen eines Vorfalls durchgehen 257 Vorfälle erfolgreich nachbereiten 258 Das Treffen sofort anberaumen 258 Alle miteinbeziehen 258 Schuldzuweisungen vermeiden 258 Den zeitlichen Ablauf betrachten 259 Schwierige Fragen stellen 260 Im Nachhinein sind Sie immer schlauer 261 Gesprächsprotokolle anfertigen 262 Einen Plan erstellen 262 Teil V: Werkzeuge für Ihre DevOps-Praxis 263 Kapitel 19 Neue Tools 265 Integration von Open-Source-Software 265 Open Computing als Innovationstreiber 266 Open-Source-Lizenzierung 267 Entscheidung für Open Source 268 Auf neue Sprachen umstellen 270 Compiler- und Interpretersprachen 270 Parallelisierung und Multithreading 271 Funktionale Programmierung 272 Speicherverwaltung 273 Sprachen sinnvoll auswählen 273 Kapitel 20 Verteilte Systeme 277 Monolithen und Microservices 278 Zuerst eine monolithische Architektur wählen 279 Umstieg auf Microservices 280 Großartige APIs entwickeln 281 Was ist eine API? 282 Auf einheitliches Design achten 282 Container: Viel mehr als virtuelle Maschinen 285 Container und Images verstehen 286 Microservices in Containern deployen 286 Orchestrierer vergleichen: Die Harmonisierung des Schwarms 288 Container konfigurieren 290 Container überwachen: Halten Sie sie am Leben, bis Sie sie töten 291 Container absichern: Diese Kisten brauchen ein Schloss 292 Kapitel 21 Migration in die Cloud 295 DevOps in der Cloud 295 Ihre DevOps-Kultur in die Cloud bringen 296 Lernen durch Übernahme 296 Von Cloud-Diensten profitieren 297 Arten von Clouds 298 Public Cloud 298 Private Cloud 299 Hybrid Cloud 299 Cloud as a Service 299 Infrastructure as a Service 300 Platform as a Service 300 Software as a Service 301 Den besten Cloud-Anbieter wählen 301 Amazon Web Services (AWS) 302 Microsoft Azure 302 Google Cloud Platform (GCP) 303 Tools und Services in der Cloud finden 303 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 307 Kapitel 22 (Mehr als) 10 wichtige Gründe für DevOps 309 Beständigen Wandel akzeptieren 309 Die Cloud nutzen 310 Die Besten einstellen 310 Wettbewerbsfähig bleiben 311 Menschliche Probleme lösen 311 Mitarbeiter fordern 312 Brücken schlagen 312 Gut scheitern 312 Kontinuierliche Verbesserung 313 Mühsame Arbeiten automatisieren 314 Auslieferung beschleunigen 314 Kapitel 23 Die zehn größten DevOps-Fallstricke 315 Kultur vernachlässigen 315 Nicht alle mitnehmen 316 Anreize schlecht aufeinander abstimmen 316 Stillschweigen 317 Vergessen zu messen 318 Micromanaging 318 Zu schnell zu viel verändern 319 Schlechte Werkzeugauswahl 319 Angst vor Misserfolgen 320 Zu hart sein 320 Stichwortverzeichnis 323

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Book SynopsisFür den Erfolg von Softwareprojekten ist es entscheidend, sich erstmal klar zu machen, wozu das System überhaupt dienen soll und wie es dafür beschaffen sein muss. Klingt eigentlich selbstverständlich, und doch scheitern Projekte oft gerade an der Anforderungsanalyse. Das Buch "Requirements Engineering für Dummies" beschreibt verständlich und pragmatisch, wie Sie vorgehen sollten - und zwar sowohl für klassische als auch für agile Projekte. Es liefert Ihnen Techniken, wie Sie Ziele bestimmen und Releases sinnvoll zusammenstellen, wie Sie Anforderungen erheben und verstehen, wie Sie mit Änderungen umgehen und wie Sie Fallstricke vermeiden. Das Buch ist auch geeignet zur Vorbereitung auf die CPRE-FL-Prüfung.Table of ContentsÜber den Autor 13 Einleitung 25 Über dieses Buch 25 Konventionen in diesem Buch 26 Was Sie nicht lesen müssen 26 Törichte Annahmen über die Leser 26 Wie dieses Buch aufgebaut ist 26 Teil I: Requirements Engineering verstehen 27 Teil II: Vorgehen im Requirements Engineering 27 Teil III: Anforderungsanalyse 27 Teil IV: Requirements Management 27 Teil V: Der Top-Ten-Teil 27 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 27 Wie es weitergeht 28 Teil I: Requirements Engineering verstehen 29 Kapitel 1 Das ist Requirements Engineering 31 Warum uns Requirements Engineering weiterhelfen kann 31 Aufgaben im Requirements Engineering 34 Wer das Requirements Engineering macht 36 Der Requirements Engineer 37 Wer sonst noch das Requirements Engineering macht 37 Viele Arten von Anforderungen 38 Funktionale Anforderungen 38 Nichtfunktionale Anforderungen 39 Randbedingungen 40 Abstraktionsstufen von Anforderungen 41 Möglichkeiten der Zertifizierung 42 Zertifikate des IREB 43 Zertifikate des IIBA 44 PMI Professional in Business Analysis (PMI-PBA) 45 Kapitel 2 Einbettung des Requirements Engineering 47 Das Zusammenspiel mit den übrigen Beteiligten 47 Die Kunden des Requirements Engineering 48 Wer sonst noch so wichtig ist: die Stakeholder 48 Die Basis vieler Anforderungen: die Geschäftsprozesse 49 Das Anforderungsdokument: eines für alle? 50 Requirements Engineering im klassischen Vorgehen: alles klar 52 Was zu erwarten ist 52 Was nicht zu erwarten ist 52 Requirements Engineering in agilen Projekten: just in time 53 Beliebte Missverständnisse beim agilen Requirements Engineering 53 Was agiles Vorgehen vom klassischen unterscheidet 54 Klassisch, agil, Festpreis, Aufwandspreis –nicht jede Kombination ist sinnvoll 56 Klassisch und Festpreis 56 Agil und Aufwandspreis 56 Agil und Festpreis 57 Klassisch und Aufwandspreis 57 Alles im Überblick 57 Kapitel 3 Fallstricke 59 Was wir von den Kunden erwarten dürfen – und sie von uns 59 Wer nimmt die Anforderungen auf? 60 Der Projektleiter als Requirements Engineer 60 Der Product Owner als Requirements Engineer 61 Entwickler als Requirements Engineers 61 Kunde und Nutzer als Requirements Engineers 62 Die richtige Detaillierung von Anforderung 63 Umgang mit Änderungen 64 Dokumentation von Anforderungen 66 Teil II: Vorgehen im Requirements Engineering 69 Kapitel 4 Vorgehen in klassischen Projekten 71 Einordnung in den Projektablauf 71 Der Ablauf 73 Kapitel 5 Vorgehen in agilen Projekten 77 Direkte Kommunikation statt Dokumentation 78 Der Wert gibt den Takt an 79 Das Ziel immer vor Augen 80 Die Vorbereitungsphase 80 Requirements Engineering in Scrum 82 Scrum kurz erklärt 82 Wo das Requirements Engineering in Scrum stattfindet 84 Das Product Backlog weiterentwickeln: Refinement 86 Fertig heißt fertig: die Definition of Done 88 Welche Rolle für die Anforderungen zuständig ist 89 Wenn mehrere Teams an einem System arbeiten 90 Fortwährende Analyse statt Änderungsmanagement 91 Die Unterschiede zwischen klassischem und agilem Requirements Engineering 92 Kapitel 6 Anpassung des Requirements-Engineering-Prozesses 93 Einflussfaktoren 93 Facetten des Requirements-Engineering-Prozesses 94 Zeitfacette 95 Zweckfacette 96 Zielfacette 96 Konfiguration des Prozesses 97 Teil III: Anforderungsanalyse 99 Kapitel 7 An die Anforderungen herankommen 101 Stakeholderanalyse 102 Stakeholder identifizieren 103 Stakeholder verstehen 105 Maßnahmen zur Einbindung der Stakeholder 110 Zusätzliche Anforderungsquellen 111 Anforderungen ermitteln 112 Von geheimen und selbstverständlichen Anforderungen: das Kano-Modell 113 Wer fragt, gewinnt: die Befragungstechniken 115 Anforderungen gemeinsam erheben: Kooperationstechniken 121 Schauen Sie genau hin: Beobachtungstechniken 123 Systemarchäologie und der Blick zurück: artefaktbasierte Techniken 126 Recycling im Requirements Engineering: die Wiederverwendung von Anforderungen 127 Seien Sie kreativ: Entwurfs- und Ideenfindungstechniken 128 Hypothesen bilden und ausprobieren 133 Techniken, die Sie zusätzlich unterstützen 134 Welche Technik Ihnen weiterhilft 135 Konflikte und der Umgang damit 138 Analyse von Konflikten 138 Auflösung von Konflikten 139 Kapitel 8 Was uns zu Beginn klar sein sollte 145 Wohin soll die Reise gehen? Das Ziel klar vor Augen 145 Auf die Verpackung kommt es an: der Produktkarton 147 Alles auf einem Blick: das Product Vision Board 150 Auf die Schnelle: das Fahrstuhlgespräch 152 Den Überblick gewinnen 153 Den Kontext des Systems verstehen 154 Wie das System verwendet werden soll: Anwendungsfälle 156 Der Überblick über die ganze Geschichte: Story Map 159 Releases schneiden 164 Werden Sie zum Minimalisten: das Minimale Marktfähige Release 164 Von der Story Map zum Releaseplan 167 Kapitel 9 Funktionale Anforderungen verstehen und beschreiben 175 Die Systemverwendung mit Anwendungsfällen beschreiben 176 Wer das System zu welchem Zweck verwendet: das Anwendungsfalldiagramm 178 Anwendungsfälle Schritt für Schritt: Abläufe beschreiben 180 Anwendungsfälle mit Anwendungsfällen erweitern 192 Die Geschichten der Nutzer: User Stories 196 Die Akzeptanzkriterien einer User Story 198 Wie kleine User Stories große ersetzen 201 Anwendungsfälle oder User Stories? 205 Anwendungsfälle klassisch 205 Von der Story Map über Anwendungsfälle zu den User Stories 205 Kapitel 10 Weitere Aspekte funktionaler Anforderungen 209 Fachliche Begriffe begreifen 210 Alle wichtigen Begriffe auf einem Blick: das Glossar 210 Der Zusammenhang zwischen den fachlichen Gegenständen im Fachklassenmodell 212 Das sind ja Zustände 220 Die Zustände fachlicher Gegenstände 220 Das System bekommt Zustände 225 Wie das Geschäft zu regeln ist 232 Prototypen 243 Die natürliche Sprache 247 Man kann nicht alles verstehen 248 Tipps zum Umgang mit der Sprache 248 Ein Bausatz für Sätze: Satzschablonen 250 Die Sprache und nichts als die Sprache 254 Kapitel 11 Nichtfunktionale Anforderungen und Randbedingungen 257 Die Bedeutung der nichtfunktionalen Anforderungen 258 Nichtfunktionale Anforderungen verstehen 260 Nichtfunktionale Anforderungen ermitteln 265 Nichtfunktionale Anforderungen in der agilen Entwicklung 270 Was schon vorher feststeht: die Randbedingungen 273 Kapitel 12 Wer weiß, ob das auch so stimmt – Anforderungen prüfen 277 Was gibt es denn da zu prüfen? 278 Vorgehen im klassischen Requirements Engineering 279 Qualitätskriterien zur Verifikation und Validierung 279 Vorgehen im agilen Requirements Engineering 281 Techniken für die Prüfung 282 Reviewtechniken 282 Explorative Validierungstechniken 284 Prinzipien der Überprüfung 286 Kapitel 13 Anforderungen festhalten 289 Zweck der Dokumentation 289 Der richtige Zeitpunkt 292 Hilfreiche Regeln 294 Arten der Dokumentation 295 Dokumente 296 Modelle 302 Anforderungssammlungen im Requirements-Management-Tool 304 Product Backlog 305 Story Map 306 Formularvorlagen für Anforderungen 306 Teil IV: Requirements Management 309 Kapitel 14 Anforderungen organisieren 311 Requirements Management im agilen Vorgehen 312 Der Lebenszyklus einer Anforderung 314 Versionierung 316 Attribute einer Anforderung 317 Kann man so oder so sehen: Sichtweisen 318 Konfigurationen 320 Kapitel 15 Ist das wirklich wichtig? – Priorisierung von Anforderungen 323 Was wichtig ist 324 Ad-hoc-Priorisierungstechniken 325 Priorisierung mittels Stufen 325 Ranking 326 Top-Ten-Technik 326 Kauf dir ein Feature 326 Analytische Priorisierungstechniken 327 Wiegers’sche Priorisierungsmatrix 327 Kano-Modell 330 Vorgehen 330 Kapitel 16 Die Anforderungen verfolgen 333 Zweck der Verfolgbarkeit 333 Verfolgbarkeit darstellen 335 Methodisches Verfolgen 338 Kapitel 17 Umgang mit Änderungen 341 Ganz normal und doch unbeliebt 341 Der Änderungsprozess und seine Bestandteile 342 Kapitel 18 Werkzeuge im Requirements Engineering: Unterstützung und Last 347 Arten von Werkzeugen 348 Office-Tools 348 Requirements-Management-Tools 349 Modellierungstools 350 Was schon da ist: Bugtracker und Wiki 351 Lowtech-Tools 351 Kombinationen von Tools 352 Einführung von Werkzeugen 352 Teil V: Der Top-Ten-Teil 355 Kapitel 19 Zehn Prinzipien des Requirements Engineering 357 Zusammenarbeit: Requirements Engineering allein funktioniert nicht 357 Wertorientierung: Anforderungen sind kein Selbstzweck 358 Stakeholder: Es geht darum, ihren Bedarf zu erfüllen 358 Gemeinsames Verständnis: Die Basis für erfolgreiche Systementwicklung 358 Kontext: Notwendig, um Systeme zu verstehen 359 Problem, Anforderung, Lösung: Eine untrennbare Verbindung 359 Validierung: Ungeprüfte Anforderungen sind nutzlos 360 Evolution: Änderungen sind normal 360 Innovation: Mehr vom Gleichen reicht nicht 361 Systematische und disziplinierte Arbeit: Ohne geht es nicht 361 Kapitel 20 Zehn beliebte Fehler im Requirements Engineering 363 Die Suche nach dem Schuldigen 363 Lösungen beschreiben anstatt Probleme zu verstehen 364 Anforderungen einfach vom Altsystem übernehmen 364 Die Nutzer beschreiben die Anforderungen 364 Wir arbeiten agil und dokumentieren nichts 365 Entweder keine oder unverständliche Systemdokumentationen 365 User Stories sind allein dazu da, die bestehenden Anforderungen in das Backlog aufzunehmen 365 Agil und Modellierung geht nicht zusammen 366 Fachleute und Entwickler sprechen nicht miteinander 366 Das Requirements Engineering läuft nicht, also brauchen wir ein Tool 366 Kapitel 21 Zehn Online-Quellen 369 IREB-Lehrpläne, Handbücher und Glossar 369 Requirements Engineering Magazine 369 Scrum-Guide 369 Online Browsing Platform der ISO 370 V-Modell 370 UML-Spezifikation 370 UML-Übersicht 371 DMN-Spezifikation 371 Übersicht über Requirements-Tools 371 Übersicht über UML-Tools 371 Stichwortverzeichnis 375

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Book SynopsisSo richtig Spaß hat man mit Elektronik, wenn man schraubt, lötet und am Ende funktioniert, was man gebaut hat. Gerd Weichhaus führt Sie ein in das korrekte und kreative Basteln mit Elektronik. Sie erfahren, wie Schaltungen und Schaltbilder aufgebaut sind, wie Sie Geräte ausschlachten und Ihr Werk mit Energie versorgen über Akkus, Netzteile, Spannungswandler oder Solartechnik. Außerdem erhalten Sie eine Einführung in Messtechnik und Fehlersuche, Niederfrequenz- und Hochfrequenztechnik, Analog- und Digitaltechnik und vieles mehr. Zum Abschluss stellt Ihnen der Autor noch einige Projekte vor, an denen Sie das frisch Erlernte ausprobieren können.Table of ContentsEinführung 23 Über dieses Buch 23 Konventionen in diesem Buch 23 Was Sie nicht lesen müssen 24 Törichte Annahmen über den Leser 24 Wie dieses Buch aufgebaut ist 24 Teil I: Bauteile, Werkzeuge und sonstige benötigte Dinge 24 Teil II: Schaltzeichen und etwas Theorie 25 Teil III: Die ersten praktischen Erfahrungen 25 Teil IV: Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren 25 Teil V: Weitere Bauteile und Komponenten zum Elektronikbasteln 25 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 25 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 26 Teil I: Elektronikbasteln und dessen Sinn im Zeitalter des Internets 27 Kapitel 1 Warum elektronische Schaltungen selber aufbauen 29 Das Basteln mit »echten« Bauteilen 30 Das erste Beispiel zum Aufbau einer Schaltung 30 Die Widerstände 30 Elektrolytkondensatoren 32 Die Transistoren vom Typ BC548 33 Leuchtdioden (LEDs) 34 Die übrigen Bauteile 35 Die (erste) Schaltung für den Selbstaufbau 35 Der Aufbau der Schaltung nach dem Schaltbild 36 Der Aufbau der Schaltung auf dem Steckboard 37 Der LED-Wechselblinker aus der Beispielschaltung 40 Mögliche Veränderungen der Schaltung zum Experimentieren 41 Eine Schaltungsvariante aufbauen 41 Der Wechselblinker mit einstellbarer Blinkfrequenz 42 Der Anfang ist getan 44 Kapitel 2 Basteln mit Widerstand, Transistor und Co 45 Die Stromversorgung für zukünftige Schaltungen und Experimente 46 Einfache Schaltungen mit Widerständen und Kondensatoren 47 Widerstände an Spannungsquellen 47 Reihenschaltungen mit unterschiedlichen Widerständen 49 Spannung, Strom, Widerstand und Wärme 51 Variabel: das Potenziometer als veränderbarer Widerstand 52 Das Potenziometer im Experiment kennenlernen 54 Die Reihenschaltung aus LED und (Vor-)Widerstand 55 Widerstände und Kondensatoren im Stromkreis 56 Kondensator und Elektrolytkondensator (Elko) 56 Die ersten Experimente mit Kondensator und Elko 57 Was passiert, wenn ein Elektrolytkondensator falsch angeschlossen wird? 59 Kondensatoren und Widerstände im Zusammenspiel 59 Eile mit Weile: Kondensatoren zeitverzögert auf- und entladen 60 Schalten und warten mit dem Transistor 61 Weitere Schaltungen in den folgenden Kapiteln 65 Kapitel 3 Elektronische Schaltungen nach Schaltbildern aufbauen und in Betrieb nehmen 67 Die wichtigsten Schaltzeichen 68 Schaltzeichen leicht interpretiert: einige Erläuterungen 68 Gute Verbindung: die Leitungen und Verbindungen in Schaltbildern 70 Einfache Schaltbilder mit Stromkreisen und ein paar Bauteilen 70 Von der Theorie zur Praxis: Schaltbild und Aufbau der Schaltung 71 Energiequelle: die Stromversorgung und ihre Kennzeichnung im Schaltbild 72 Bauelemente in Schaltbildern erkennen 73 Einfache Transistorschaltungen zum Aufbauen und Messen 75 Strommessung an Basis und Emitter 77 Emitter- und Kollektorschaltung 80 Transistor und Relais im Vergleich 81 Schaltbilder selber zeichnen oder erstellen 84 Kapitel 4 Bauteile aus alten Geräten ausbauen und verwenden 85 Zuerst ein paar wichtige Sicherheitshinweise 86 Suche nach verborgenen Schätzen: Bei welchen Geräten lohnt sich das Zerlegen überhaupt? 87 Ein paar Beispiele für zerlegte Geräte und deren Komponenten 89 Weitere Geräte und Bauteile, die daraus ausgebaut werden können 90 Ein paar Beispiele für Geräte mit geeigneten Bauteilen 90 Worauf Sie beim Ausbau der Bauteile achten sollten 93 Halbleiter und integrierte Schaltungen verwenden 95 Welche Art Bauteile Sie wahrscheinlich weniger benötigen 95 Ein Beispiel, wie aus Bauteilen etwas gebaut werden kann 95 Weitere interessante Bauteile zum Auslöten und Aufheben 99 Kapitel 5 Akkutechnologien, Netzteile, Spannungswandler und Solartechnik 101 Batterien und Akkus zur Stromversorgung nutzen 102 Auch Akkus und Batterien können gefährlich werden 103 Batterien für eigene Schaltungen verwenden 103 Konstante Kraft: Netzteile zur Energieversorgung Ihrer elektronischen Schaltungen 105 Trafonetzteile und Schaltnetzteile verwenden 107 Spannungswandler und ihre Wirkungsweise 107 Zur Praxis: der Testaufbau für das Experiment 109 Automatische Ansteuerung der Spule 110 Die Solartechnik und praktische Anwendungen 112 Kapitel 6 Löt- und Entlöttechnik 115 Heiße Sache: der Lötkolben 116 Feine Sache: ein Feinlötkolben mit geringer Leistung 116 Lötstation oder Lötkolben? 117 Übung macht den Meister: zum Lötvorgang 117 Schaltungen auf der Lochrasterplatine aufbauen 118 Löten rückwärts: Entlöten mit Entlötpumpe und Entlötlitze 119 Bauteile nur mit dem Lötkolben auslöten 120 Bauteile mit mehr als zwei oder drei Anschlüssen auslöten 121 Werkzeuge, die Sie sonst noch gebrauchen können 122 Kabel und Adapter herstellen 123 Teil II: Messtechnik und Fehlersuche 125 Kapitel 7 Messungen mit dem Oszilloskop durchführen 127 Was ist ein Oszilloskop und wie funktioniert es? 128 Zur Funktion eines Oszilloskops 128 Analoge und digitale Oszilloskope 129 Die grafische Darstellung von Spannungsverläufen 130 Die wichtigsten Bedienelemente eines Oszilloskops 132 Einfache Messungen mit dem Oszilloskop 135 Die Auswertung des Signals 137 Sinuswellen mit dem Phasenschieber erzeugen 138 Kapitel 8 Fehlersuche in elektronischen Schaltungen und Geräten 141 Zur Fehlersuche in elektronischen Schaltungen oder Geräten 142 Die Sicherheit sollte stets an erster Stelle stehen 142 Andere Gefahren bei der Reparatur von elektronischen Geräten 144 Bevor Sie an die Fehlersuche gehen 145 Sicherungen ebenfalls überprüfen 146 Mit Akkus oder Batterien betriebene Geräte 148 Die Sicht- und Riechprobe am Anfang der Fehlersuche 148 Beschädigte Platinen und schlechte Lötstellen 150 Kalte Lötstellen und schlechte Lötverbindungen 152 Kurzschlüsse finden und beseitigen 152 Was ein Kurzschluss ist und wie er sich bemerkbar macht 153 Wenn Bedienelemente die Fehlerquellen sind 155 Wichtige Hilfsmittel für die Fehlersuche 156 In eigenen Schaltungen Fehler vermeiden 156 Kapitel 9 Die Signalverfolgung in elektronischen Schaltungen und Geräten 159 Die Fehlersuche mit System 160 Was genau ist die Signalverfolgung? 160 Auf Spurensuche: die Signalverfolgung in dieser Verstärkerschaltung 163 Ein Signal in die Verstärkerschaltung einspeisen 167 Einen Prüfverstärker als zusätzliches Hilfsmittel aufbauen und einsetzen 167 Die Signalverfolgung in heutigen, modernen Geräten und Schaltungen 168 Die Folgen der Miniaturisierung für die Fehlersuche sowie die Signalverfolgung in der SMD-Technik 170 Kapitel 10 Kontaktschwierigkeiten: kalte Lötstellen, defekte Steckverbindungen und andere häufige Fehler 173 Die Fehlersuche mit dem Durchgangsprüfer 174 Häufige Fehler in gedruckten Schaltungen und elektronischen Geräten 174 Kalte Lötstellen aufspüren und reparieren 174 Mechanische Beanspruchungen durch Bedienelemente 175 Fehlerhaft durchgeführte Lötvorgänge und deren Auswirkungen 176 Die Reparatur von kalten oder schlechten Lötstellen 178 Fehlerhafte Kabelverbindungen und Steckverbindungen aufspüren und reparieren 180 Einige häufige Fehlerbilder an Kabeln und Kabelverbindungen 180 Der Fehler im Detail: Steckverbindungen immer genau ansehen 184 Auf Spurensuche: Unterbrechungen und Wackelkontakte aufspüren und beseitigen 185 Durchgangsprüfer für die Fehlersuche einsetzen 186 Verdächtige Kabel- und Leiterplattenverbindungen probeweise überbrücken 188 Teil III: Weitere interessante Bereiche der Elektronik 191 Kapitel 11 Niederfrequenz- und Hochfrequenztechnik 193 Zu den Begriffen Niederfrequenztechnik und Hochfrequenztechnik 194 Die Niederfrequenztechnik beziehungsweise Niederfrequenz 194 Die Hochfrequenztechnik und ihre Besonderheiten 195 Elektromagnetische Wellen 195 Elektromagnetische Wellen hörbar machen 195 Selber NF- und HF-Signale erzeugen 197 Hochfrequenzsignale und deren Erzeugung 201 Die beiden wesentlichen Bereiche der Schaltung 202 Der eigentliche Oszillator für die Hochfrequenz 202 Ein Testaufbau dieser Schaltung 203 Schwingungen erzeugen mit einem Schwingkreis 204 Damit das Ganze am Schwingen bleibt 205 Hochfrequente Wellen zur Signalübertragung nutzen 206 Besserer Klang: die Frequenzmodulation 206 Die Lautstärke verändert die Amplitude: die Amplitudenmodulation 206 AM und FM im Vergleich 207 Kapitel 12 Mikrocontroller-Grundlagen 209 Was sind Mikrocontroller eigentlich? 209 Futter für den Mikrocontroller: Ohne Software geht nichts 210 Vorteile von Mikrocontrollern gegenüber anderen Schaltungen 210 Mikrocontroller verschiedener Arten 211 Der Arduino als Entwicklungsumgebung 212 Wie kommt der Code auf den Mikrocontroller? 212 Die notwendige Software für den Computer 213 Beispiel für eine Anwendung eines Mikrocontrollers 214 Was benötigen Sie für die ersten Schritte? 214 Erste Schritte mit einem Mikrocontroller 215 Welcher Arduino soll es sein? 215 Die Software herunterladen, installieren und einrichten 216 Futter für den Arduino: der Programmcode 218 Den Code verändern - trauen Sie sich ruhig 219 Mehr Input: Anschlüsse als Eingänge schalten und auslesen 220 Töne mit dem Arduino erzeugen 222 Die Klangerzeugung durch den Arduino 223 Auch hier gilt: Probieren geht über Studieren 223 Musikalischer Arduino: Eine Melodie abspielen 225 Andere Arduinos oder Mikrocontroller verwenden 226 Kapitel 13 Audiotechnik – Verstärker, Lautsprecher und einfache Effekttechnik 227 Die Verstärkertechnik und die Grundlagen 228 Aus klein mach groß: elektrische Signale verstärken 228 Eine einfache Verstärkerschaltung als Mikrofonverstärker 229 Mehr Leistung: Verstärker mit TDA2003 230 Ohne Lautsprecher kein Klang 232 Ein Lautsprecher etwas genauer untersucht 233 Kleines Experiment: Funktioniert der Lautsprecher auch ohne Membran? 234 Vielfältig und klangstark: Lautsprecher unterschiedlicher Art 235 Lautsprecher mal anders genutzt als Mikrofon 237 Lautsprecher (noch) mal anders: der Piezoschallwandler 238 Geteilte Arbeit: Lautsprecher für verschiedene Frequenzbereiche 240 Arbeitsteilung: Hoch-, Tief- und Mitteltöner für verschiedene Frequenzbereiche 240 Klangverteiler: Frequenzweichen in Lautsprecherboxen 241 Auf andere Art den Klang beeinflussen: Klangeffekte 244 Kapitel 14 Analog- und Digitaltechnik und Signale umwandeln 249 Analog und digital im Alltag 250 Analoge und digitale Signale und die Unterschiede 250 Analog ist stufenlos 250 Die Helligkeit stufenweise einstellen 251 Schalter = digital, Poti = analog? 254 Analog in digital umwandeln und umgekehrt 256 Analog zu digital: die Auswertung analoger Spannungswerte 257 Die LED-Zeile für die Spannungsanzeige 257 Zahlen sprechen lassen: Ziffern statt LEDs 259 Analog zu digital umwandeln und der Zeitfaktor 265 Kapitel 15 Einige Grundlagen zur Röhrentechnik 267 Der Aufbau von Elektronenröhren 268 Der Aufbau und die Funktion von Elektronenröhren 268 Die erste Inbetriebnahme einer Elektronenröhre 270 Den Elektronenstrom steuern mit dem Gitter 271 Röhrenarten und Röhren identifizieren 274 Kein Geheimcode: die Typenbezeichnungen von Elektronenröhren 274 Die einfache Identifizierung anhand von Beispielen 274 Diode, Triode, Pentode und andere Röhrenarten 277 Einige Röhrenexperimente und Schaltungen zum Ausprobieren 278 Astabile Kippstufen mit Röhren 278 Einfache Verstärker mit Röhren aufbauen 280 Etwas stärker: Mikrofonverstärker mit BC548 und EL95 282 Weitere Infos zu Elektronenröhren 284 Kaputte Röhren identifizieren 284 Magische Augen und andere Anzeigeröhren 285 Kapitel 16 Wie funktioniert eigentlich … 287 Analoge Audiosignale digitalisieren und speichern 288 Probieren Sie es doch selbst mal aus 289 Die Tonaufzeichnung auf Speicherchips und die Vorteile 290 Speichermodule zur Audioaufzeichnung verwenden 290 Einige Bauteile und deren Funktionen sowie Besonderheiten 293 Lichtempfindlich: die Fotodiode und wie sie eingesetzt wird 293 Empfindlich in Sachen Magnetfelder: der Reedkontakt 295 Temperaturempfindlich: der NTC (Heißleiter) 297 Leuchtendes Beispiel: die Glimmlampe 299 LED-Anzeigen ansteuern mit Mikrocontrollern 302 Die Problemstellung: um was es eigentlich geht 302 Die Lösung: Anschlüsse und Leitungen sparen dank Multiplexing 302 Mehr als Zahlen: Zeitmultiplexing bei Matrixanzeigen 304 Teil IV: Einige Projekte zum Nachbauen und Experimentieren 307 Kapitel 17 Verschiedene Oszillatorschaltungen aufbauen und mit ihnen experimentieren 309 Verschiedene Arten von Oszillatorschaltungen 310 Zu den einzelnen Oszillatorschaltungen 310 Die Hartley-Oszillatorschaltung mit selbst hergestelltem Ausgangstrafo 310 Die Herstellung der Spule 311 Das zweite Beispiel: die Colpitts-Oszillatorschaltung 313 Die dritte Schaltung ohne Spule 315 Der Meißner-Oszillator mit Schwingkreis 317 Impulsgebend: Schaltungen für Impulsgeneratoren 319 Unmodulierte und modulierte Oszillatorschaltungen 321 Kapitel 18 Sinussignale erzeugen mit dem Phasenschieber-Oszillator 323 Was bedeutet der Begriff Phasenschieber? 323 Wie die zeitliche Verschiebung erreicht wird 324 Zum zeitlichen Versatz des Spannungsverlaufs 326 Rückgekoppelte Verstärker erzeugen Sinussignale 326 Der Phasenschieber-Oszillator 327 Das Ausgangssignal der Schaltung weiterverwenden 328 Eine Variante der Schaltung mit zwei Transistoren 328 Die Ansteuerung einer LED mit dem Phasenschieber 330 Kapitel 19 Schaltungen mit LED-Levelanzeigen 333 Einfache LED-Zeilen und deren Aufbau 334 Die LED-Zeile als Füllstandanzeige 334 Ein Lauflicht mit der LED-Zeile 337 Eine LED-Levelanzeige mit dem LM3914 340 Minimal- und Maximalwert einstellen 341 Anzeige eines festgelegten Spannungsbereichs 342 Kapitel 20 Empfindliches Verstärkermikrofon und andere Verstärkerschaltungen 345 Hörhilfe: ein sehr empfindlicher Mikrofonverstärker mit konstanter Wiedergabelautstärke 346 Zum Aufbau der Schaltung 346 Eine Variante dieses Mikrofonverstärkers zum Anschluss an den Computer oder an einen Verstärker 349 Ein Verstärker für elektrodynamische Mikrofone 351 Eine Verstärkerschaltung zum Experimentieren 353 Kapitel 21 Elektronische Signalgeber für Türklingeln oder als Alarm-/Signalgeber 357 Einen klingelähnlichen Signalton erzeugen 358 Experimentieren erwünscht: verschiedene Möglichkeiten 358 Die Länge eines Signaltons bestimmen 359 Eigene Klänge als Klingeltöne verwenden 360 Eine Alarmsirene mit zwei Transistoren 362 Der Aufbau der Schaltung für experimentierfreudige Bastler 363 Kapitel 22 Transformatoren verschiedener Art und die drahtlose Energieübertragung durch Induktivität 365 Die kontaktlose Energieübertragung in einem Transformator 366 Drei Komponenten, ein Trafo 367 Der charakteristische Aufbau eines gängigen Transformators 368 Schaltzeichen eines Transformators 369 Die Windungszahl und die Drahtstärke 369 Vom Trafo zur drahtlosen Übertragung von elektrischem Strom 370 Wireless Power Transfer = drahtlose Übertragung elektrischer Energie 370 Die Energieübertragung mithilfe von Kopplungsspulen 371 Die Herstellung der benötigten Spulen zur Energieübertragung 371 Der Aufbau der ersten Schaltung 372 Eine andere Schaltung zur Stromübertragung 374 Spannende Sache: die Energieübertragung durch hochfrequente Wechselspannungsfelder 376 Noch einige Hinweise zum Aufbau und zur Inbetriebnahme der Schaltung 379 Kapitel 23 Spannungsverdoppler und andere Schaltungen für Spannungswandler 381 Wofür Gleichspannungswandler benötigt werden 382 Einfache Schaltungen für Spannungswandler 383 Ein einfacher Spannungsverdoppler mit dem NE555 383 Der Spannungswandler mit etwas höherer Leistung 385 Die Polarität einer Eingangsspannung verändern 386 Ein Spannungswandler mit einem NF-Verstärker 387 Aus 12 Volt wesentlich höhere Spannungen erzeugen 389 Wie die Schaltung funktioniert 390 Aus 1,5 Volt mach‘ mehr: Spannungswandler für eine einzige Batteriezelle 392 Kapitel 24 Einige Miniprojekte zum Nachbauen und Experimentieren 395 Einfache Schaltungen mit Transistoren 396 Eine einfache Zeitschaltung mit Transistoren 396 Einen Verbraucher mit Tastendruck ein- und ausschalten 398 Die zweckentfremdete LED: Leuchtdiode als Lichtsensor 401 Einige einfache Schaltungen mit dem NE555 und anderen integrierten Schaltungen 402 Verbraucher mit einer Taste ein- und ausschalten 402 Einfacher Transistortester mit dem NE555 404 Impulsdetektor mit dem NE555 405 Mögliche Schaltungsvarianten 406 Weicher Blinker mit dem NE555 407 Radiorekorder mit CD als Teilespender 408 Das Zerlegen des Geräts 409 Das Kassettenlaufwerk in Betrieb nehmen 411 Teil V: Der Top-Ten-Teil 415 Kapitel 25 Zehn Dinge und einige weitere wichtige Informationen für den Elektronikbastler 417 Einige interessante Seiten mit Schaltungen beziehungsweise Schaltbildern 418 Seiten mit Informationen zur Elektronik und mit Schaltbildern 418 Zehn Dinge, die Sie beim Aufbau elektronischer Schaltungen beachten sollten 419 Noch ein Hinweis zur Verwendung von Steckboards und Steckbrücken 420 Zehn häufige Fehler beim Aufbau elektronischer Schaltungen 421 Oft sind es nur Flüchtigkeitsfehler 421 Einfache, aber wichtige Grundschaltungen, die Sie kennen sollten 422 Astabile Kippstufe 422 Wichtige Gleichrichterschaltungen 423 Der Elektrolytkondensator nach dem Gleichrichter 424 Die Spannungsstabilisierung mithilfe einer Z-Diode 424 Die Spannungsstabilisierung mit Z-Diode und Transistor 425 Eine Verstärkerschaltung mit Transistor 426 Der Spannungswandler mit einem Transistor 427 Die drei Grundschaltungen eines Transistors 427 Einfache Spannungsregelung mit dem LM317 428 Die Wechselschaltung mit zwei Schaltern 429 Stichwortverzeichnis 433

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Book Synopsis»Wie leicht zu sehen ist, folgt?!« ? dieser Ausspruch sorgt in Vorlesungen stets für Verwirrung. Meist sind für diese vermeintlich leicht zu sehenden Schritte jedoch mehrere Zeilen mit mathematischen Gleichungen erforderlich. Doch keine Sorge: Dieses Buch ist anders! Michael Felleisen führt Sie Schritt für Schritt durch alle Herleitungen und Berechnungen. Dabei werden alle mathematischen Grundgesetze, die Sie zum Verständnis der Wechselstromtechnik beziehungsweise zum Lösen der Übungsaufgaben benötigen in einem Vorspann ausführlich erklärt. Von den besonderen Eigenschaften von Widerstand, Spule und Kondensator an sinusförmigen Wechselgrößen über spezielle Filterschaltungen bis zur Drehstromtechnik ist alles dabei. Auch die praktische Umsetzung der genialen Ideen von Elektropionieren wie Tesla, Gauß, Steinmetz und Bode kommen nicht zu kurz.Table of ContentsÜber den Autor 13 Danksagung 13 Einführung 23 Über dieses Buch 23 Konventionen in diesem Buch 24 Was Sie nicht lesen müssen 24 Törichte Annahmen über den Leser 24 Wie dieses Buch aufgebaut ist 25 Teil I: Besonderheiten der Wechselstromtechnik 25 Teil II: Widerstand, Spule und Kondensator an Wechselgrößen 25 Teil III: Gemischte Schaltungen an Wechselgrößen 25 Teil IV: Frequenzgang, Ortskurve und Filterschaltungen 26 Teil V: Drehstrom als Dreiphasen-Wechselstrom 26 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 26 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 27 Wie es weitergeht 27 Teil I: Besonderheiten der Wechselstromtechnik 29 Kapitel 1 Stets zuerst die mathematischen Grundlagen 31 Geradengleichungen, wohin das Auge blickt 31 Ohne den Logarithmus geht es nicht 32 Auch die Exponentialfunktion spielt mit 33 Dreiecke und deren Winkel braucht das Land 34 Und dann noch Skalare und Vektoren 35 Schwingungen gehören zur Wechselstromtechnik 37 Auch Ableitungen werden gebraucht 39 Die irre tolle Integration 41 Das Wunder der komplexen Rechnung 42 Zeigerdarstellung in der Gauß’schen Zahlenebene 43 Umrechnung der Darstellungsformen komplexer Zahlen 47 Addition und Subtraktion komplexer Zahlen 49 Multiplikation und Division 50 Kehrwert einer komplexen Zahl 51 Potenzieren und Radizieren 52 Differenzieren und Integrieren von Schwingungsfunktionen 52 Bestimmung von Real- und Imaginärteil einer komplexen Zahl 57 Real- und Imaginärteil einer Summe oder Differenz 58 Anwendungsbeispiel zum Rechnen mit komplexen Zahlen 58 Kapitel 2 Auf und ab: Sinusförmige Wechselgrößen 63 Von der Gleich- zur periodischen Wechselgröße 65 Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung 68 Kapitel 3 Kennwerte sinusförmiger Wechselgrößen 75 Amplitude, Augenblickswert und Frequenz 75 Woher kommt die Phasenverschiebung? 78 Phasenverschiebung der Spule 79 Phasenverschiebung des Kondensators 82 Wechselgrößen und deren Mittelwerte 84 Gleichanteil 84 Gleichrichtwert 85 Effektivwert 86 Kapitel 4 Zeiger- und Liniendiagramme für Wechselgrößen 91 Vom Zeiger- zum Liniendiagramm 91 Komplexe Darstellung sinusförmiger Wechselgrößen 96 Teil II: Widerstand, Spule und Kondensator an Wechselgrößen 99 Kapitel 5 Vom Scheinwiderstand zum Scheinleitwert 101 Widerstand an Wechselstrom 102 Kapitel 6 Der Wirkwiderstand an Wechselstrom 109 Ohm’scher Widerstand an Wechselstrom 109 Leistungen am Ohm’schen Widerstand 111 Kapitel 7 Der induktive Blindwiderstand der Spule 113 Spule an Wechselstrom 113 Leistungen an der Spule 117 Kapitel 8 Der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators 121 Kondensator an Wechselstrom 121 Leistungen am Kondensator 125 Vergleich der Grundschaltungen an Wechselstrom 127 Teil III: Gemischte Schaltungen an Wechselgrößen 131 Kapitel 9 Reihenschaltung linearer Zweipole 133 Reihenschaltung von Widerstand und Spule 136 Entwurf des Zeigerdiagramms 138 Entwurf des Spannungsdreiecks 139 Entwurf des Widerstandsdreiecks 142 Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator 145 Entwurf des Zeigerdiagramms 146 Entwurf des Spannungsdreiecks 147 Entwurf des Widerstandsdreiecks 149 Reihenschaltung von Widerstand, Spule und Kondensator 152 Entwurf des Zeigerdiagramms 153 Entwurf des Spannungsdreiecks 155 Entwurf des Widerstandsdreiecks 156 Reihenresonanz 159 Reihenschaltung komplexer Widerstände 161 Spannungsteilerregel für komplexe Widerstände 162 Kapitel 10 Parallelschaltung linearer Zweipole 165 Parallelschaltung von Widerstand und Spule 166 Entwurf des Zeigerdiagramms 168 Entwurf des Stromdreiecks 169 Entwurf des Leitwertdreiecks 172 Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator 174 Entwurf des Zeigerdiagramms 175 Entwurf des Stromdreiecks 176 Entwurf des Leitwertdreiecks 178 Parallelschaltung von Widerstand, Spule und Kondensator 181 Entwurf des Zeigerdiagramms 182 Entwurf des Stromdreiecks 183 Entwurf des Leitwertdreiecks 185 Parallelresonanz 187 Parallelschaltung komplexer Leitwerte 189 Stromteilerregel für komplexe Leitwerte 190 Kapitel 11 Umwandlung von Reihen- und Parallelschaltung – Ersatzzweipole 193 Ersatz für die Parallelschaltung 194 Ersatz für die Reihenschaltung 195 Kapitel 12 Leistung im Wechselstromkreis 197 Leistung bei Wirklast – Wirkleistung am Ohm’schen Widerstand 199 Leistung bei induktiver Belastung – Blindleistung der Spule 205 Leistung bei kapazitiver Belastung – Blindleistung des Kondensators 207 Scheinleistung und Leistungsfaktor 210 Komplexe Leistung 211 Blindleistungskompensation 212 Reihenkompensation 214 Parallelkompensation 214 Teil IV: Frequenzgang, Ortskurve und Filterschaltungen 223 Kapitel 13 Frequenzgangdarstellung und das Bode-Diagramm 225 Der Frequenzgang und seine Eigenschaften 226 Eigenschaften des Bode-Diagramms 228 Kapitel 14 Frequenzkennlinien braucht das Land 231 Die Frequenzkennlinie – auf dem Weg zum Bode-Diagramm 232 Was geschieht mit der Ortskurvendarstellung? 237 Beispiele zur Konstruktion der Ortskurve 239 Kapitel 15 Elektrische Filterschaltungen 249 RC- und RL-Tiefpassschaltungen 250 RC- und RL-Hochpassschaltungen 255 RC-Bandpass 258 Kapitel 16 Resonanz im Wechselstromkreis 263 Die Spannungsresonanz in Reihenschaltungen 263 Die Resonanzfrequenz und die Thomson’sche Schwingungsformel 267 Die Stromresonanz in Parallelschaltungen 267 Teil V: Drehstrom als Dreiphasen-Wechselstromsystem 271 Kapitel 17 Erzeugung und Darstellung von Dreiphasen-Wechselstrom 273 Erzeugung von Dreiphasen-Wechselstrom 274 Generator für Drehstrom 278 Motor im Drehstromnetz 280 Kapitel 18 Stern- und Dreieckschaltung des Generators 289 Sternschaltung des Generators 289 Dreieckschaltung des Generators 293 Kapitel 19 Anschluss des Verbrauchers ans Drehstromnetz 295 Sternschaltung des Verbrauchers 295 Sternschaltung mit Neutralleiter 296 Sternschaltung ohne Neutralleiter 298 Dreieckschaltung des Verbrauchers 300 Kapitel 20 Leistung bei Drehstrom 305 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 309 Kapitel 21 Zehn wichtige Erfinder der Wechselstromtechnik 311 Kapitel 22 Zehn wichtige Einheiten und deren Bedeutung 323 Kapitel 23 Zehn Dekaden der Elektrizität im 19 Jahrhundert 327 Kapitel 24 Meine zehn Lieblingsbücher für die Wechselstromtechnik 331 Anhang A: Lösungen der Aufgaben 333 Stichwortverzeichnis 371

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Book SynopsisBastelst du gern? Und liebst du es, wenn es leuchtet, piept und blinkt? In diesem Buch erfährst du Schritt für Schritt, wie du mit LEDs, Kondensatoren, Transistoren, Widerständen und anderen elektronischen Bauteilen nützliche und schöne Dinge wie Glückwunschkarten, Geschicklichkeitsspiele, Gespenster, Weihnachtsschmuck und Spielzeugautos basteln kannst. Du wirst von Anfang an auch löten! Nebenher lernst du, was Strom ist, warum man dafür Spannung braucht und wie alles funktioniert. Die Bauteile kannst du dir für wenig Geld im Internet oder im Elektronikmarkt besorgen. Leg einfach los! Bestens geeignet für Kinder und Jugendliche ab 10 Jahren.Table of ContentsEinführung 6 Hallo, zukünftige Elektronik-Profis 6 Über Strom und Spannung 6 Über dieses Buch 6 Über dich 7 Über die Symbole, die wir in diesem Buch verwenden 8 Kapitel 1: Auf die Plätze … 9 Von Elektrizität zur Elektrotechnik 9 Strom: Wie Wasser, aber trocken 10 Spannung: Der Fluss soll fließen können 11 Strom und Spannung messen 12 Stromkreis: Ein Bett für den Stromfluss 13 Batterie: Die Quelle des Stromflusses 14 Von der Elektrotechnik zur Elektronik 20 Rück- und Ausblick 22 Kapitel 2: Was du alles brauchst 23 Werkzeuge erleichtern das Leben 24 Elektronische Bauteile: Was ist wofür? 29 Das Multimeter: Messen, was du nicht siehst 32 Experiment: »Spannung einer Batterie messen« 34 Kinder betet, Vater lötet! 38 Lötanleitung »Drähte verbinden« 39 Lötanleitung »Bauteil auf Platine löten« 43 Alles wieder ab: Anleitung zum »Entlöten« 46 Kapitel 3: Leuchtende Grüße 48 Hier geht dir ein Licht auf 48 Projekt »LED-Glückwunschkarte« 52 Was du brauchst … 53 Jetzt wird gebaut! 54 Mögliche Fehlerquellen 67 Erweiterung: Zwei LEDs sollen leuchten 68 Experiment: »Parallel- und Reihenschaltung« 71 Für richtige Profis 78 Kapitel 4: LED-Geist mit leuchtenden Augen 79 Der Widerstand 80 Experiment »Eine LED und ihr Vorwiderstand« 85 Experiment »Drei LEDs in Reihe und ihr Vorwiderstand« 88 Projekt »LED-Geist« 91 Was du brauchst … 91 Jetzt wird gebaut! 92 Projektvariante »Leuchtende Weihnachtskugel« 101 Was du brauchst 101 Jetzt wird gebaut! 102 Kapitel 5: Heißer Draht 106 Experiment »Optisches Signal mit einer Alarm-LED« 107 Experiment »Akustisches Signal mit Summer« 111 Der Kondensator 113 Experiment »Die Warnsignale nicht übersehen« 114 Projekt »Heißer Draht« 116 Was du brauchst … 117 Jetzt wird gebaut! 118 Kapitel 6: Blinkende Weihnachtskugel 129 Der Transistor 130 Die Blinkschaltung 134 Experiment: Blinkendes Steckbrett 137 Mögliche Fehlerquellen 141 Projekt: Weihnachtskugel mit blinkenden LEDs 142 Was du brauchst … 142 Jetzt wird gebaut! 143 Projektvariante »LED-Geist mit blinkenden Augen« 152 Was du brauchst … 153 Jetzt wird gebaut! 153 Kapitel 7: Elektromobil 156 Der Elektromotor 158 Die Magnetkraft 158 Das elektromagnetische Prinzip 159 Die Spule dreht sich 159 Der Reflexkoppler 161 Ins Innere hineingeschaut 161 Da siehst du Schwarz 162 Die Linienfolger-Schaltung des Elektromobils 163 Projekt: Elektromobil mit Linienfolger-Schaltung 166 Was du brauchst … 167 Jetzt wird gebaut! 168 Und nun? 177 Anhang: Werkzeuge, Bauteile und Bastelmaterial besorgen 179 Werkzeugliste 180 Bauteileliste 183 Stichwortverzeichnis 193 Über die Autorinnen 195

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Book SynopsisSie wollten schon immer Ihre eigene Spielidee umsetzen? Gamedesign ist Ihr Traumberuf? Dieses Buch zeigt Ihnen, wie Sie eigenen Spielcharakteren Leben einhauchen und Spieler mit originellen Spielregeln lange begeistern. Das ganze Buch ist als Lernkampagne mit zahlreichen Questen und Boss Challenges organisiert: Sie lesen, lernen und üben spielend in der Charakterklasse "Gamedesigner" und erhalten Erfahrungspunkte und Belohnungen. Nutzen Sie die Liste der zu erlernenden Fähigkeiten und Entwicklungsmöglichkeiten sowie zahlreiche Übungen, um selbstbestimmt mit Spaß zu lernen.Trade Review"...Ambitionierter Titel, der Konzeption und Wirkung von Spielewelten, Spielegeschichten, Regeln und Charakteren ausführlich und gründlich erklärt und versucht zu vermitteln, welche Faktoren letztendlich Spaß am Spiel bringen." (EKZ im Oktober 2021)Table of ContentsÜber den Autor 9 Vorwort 19 Einführung 21 Über dieses Buch 21 Was Sie nicht lesen müssen 22 Törichte Annahmen über den Leser 22 Wie dieses Buch aufgebaut ist 22 Teil I: Vorbereitungen für Ihre Buchqueste 23 Teil II: Wie ein Gamedesigner sehen und denken lernen 23 Teil III: Die Spieleidee verpacken und abrunden 23 Teil IV: Die Spieleidee kommunizieren 23 Teil V: Der Top-Ten-Teil 24 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 24 Wie es weitergeht 25 Teil I: Vorbereitungen für Ihre Buchqueste 27 Kapitel 1 Was macht ein Gamedesigner? 29 Einordnung von Spielen in Spielearten 29 Unterschiedliche Spielearten – unterschiedliche Herausforderungen 32 Aufgaben bei der Erstellung von Spielen 33 Aktuelle Entwicklung des Berufsbilds »Gamedesigner« 34 Was machen nun alle Gamedesigner? 35 Kapitel 2 Das ist Ihre Buchqueste 39 Was ist eine Buchqueste? 39 Der Sinn und Nutzen der Buchqueste 40 Übersicht 41 Motivation 41 Planung 41 Spielerisch leben 42 Der Gamedesignercharakterbogen 43 Wie lässt sich der Charakterbogen am besten nutzen? 43 Wahrnehmung, GD-Handwerk und Mindset & Ausdauer 47 Wiederholungen und Erfahrungspunkte 50 Liste möglicher Genres 50 Liste möglicher Fähigkeiten für den Charakterbogen 52 Fähigkeitensystematik 52 Eine mögliche Fähigkeitenübersicht 53 Boss Challenge: Get Ready to Gamedesign! 55 Teil II: Wie ein Gamedesigner sehen und denken lernen 57 Kapitel 3 Regeln erkennen lernen 59 Was können Spielregeln alles definieren? 60 Spielregeln definieren, was zum Spiel gehört 60 Spielregeln definieren den Ausgangszustand 62 Spielregeln definieren, wie Spieler und Spiel agieren dürfen 62 Spielregeln definieren das Spielziel und das Spielende 66 Spielregeln können sich im Spiel verändern 68 Spielregeln bestimmen den Einfluss von Zufall und Strategie 69 Spielregeln sind ein Vertrag unter den Spielern 74 Schatzkiste für den Gamedesigner 74 Warum gibt es Spielregeln? 76 Einstiegsbeispiele – Schere, Stein, Papier & Co 76 Schere, Stein, Papier (Variante für 2 Spieler) 76 30 Tod 78 Die Erkenntnisse aus den Beispielen 80 Kleines Rätsel 82 Wie können Sie die Regeln komplexerer Spiele beschreiben? 82 Tetris (NES, 1989) 83 Boss Challenge – Sie entwickeln Ihr erstes kleines Spiel 84 Das erste Projekt 85 Checkliste als Hilfestellung für Ihr Projekt 86 Kapitel 4 Was macht Spaß? 87 Was macht Spielern Spaß? 88 Was arbeitet dem Spaß entgegen? 89 Maslows Bedürfnishierarchie 89 Was macht meinen Spielern Spaß? Zielgruppe beachten! 92 Was bedeutet der Begriff »Zielgruppe«? 92 Wie erstellt man eine Zielgruppe? 92 Kritischer Hinweis zu den Spielererwartungen 103 Boss Challenge: Upgrade I für die ersten Spieleideen 107 Kapitel 5 Fair geht vor – aber das Gefühl nicht vergessen! 109 Spielerziele 110 Frustfaktoren 111 Ihr Kampf gegen Frustfaktoren 112 Die Strategie gegen Frustfaktoren 113 Frustfaktor: Das Spiel ist zu schwer! 114 Entscheidung, welche Lösungswege umgesetzt werden sollen 125 Erfolgskontrolle der Umsetzung 125 Die praxisdominante Strategie 126 Zusammenfassung 128 Boss Challenge: Upgrade II für die erste Spieleidee 129 Kapitel 6 Wie analysiert man Spiele? 131 Warum sollten Sie Spiele analysieren? 131 Die Analysemethoden 135 Analysemethode: Der grobe Genrescan 136 Analysemethode: Einzelspielanalyse 137 Analysemethode: Der Tiefenscan 139 Wie Sie Excel lieben lernen 139 Boss Challenge: Analysiere das! 142 Teil III: Die Spieleidee verpacken und abrunden 143 Kapitel 7 Des Spiels neue Kleider – Storytelling 145 Was ist Storytelling? 145 Storylastige und nicht storylastige Spiele 146 Hilfe zur Selbsthilfe 146 Storytelling und Genre 147 Und am Ende war es doch nur ein getarnter Klon 148 Die Magie der Coverstory 149 Wie designt man eine Spielwelt? 154 Die innere Logik 154 Das organische Weltdesign 155 Modenschau der Klonwelten 160 Charaktere – Bitte, bitte mehr als nur ein Bildchen mit Funktion! 167 Vergessen Sie bitte weder Ihre Zielgruppe noch die Funktion des Charakters 169 Haben Sie den Bogen raus? 170 Die Geschichte 178 Ihr Wissen bedeutet Konsistenz 178 Lineares Erzählen 178 Nichtlineares Erzählen – eine Herausforderung 182 Auf Details achten 188 Boss Challenge: World of erste Spieleidee 189 Kapitel 8 Endgame und Wiederspielwert 191 Was bedeutet »Endgame«? 191 Zusammenhang Endgame und Wiederspielwert 193 Wiederspielwert bei endlichen Spielen 193 Soziales Miteinander 194 Alltagsausstieg (süffiges Spiel) 194 Mehr erreichen 195 Besser werden als die Konkurrenz 196 Mehr entdecken 196 Tradition 196 Seelenkuss 197 Persistente Spiele 198 Neue Spieler schützen 199 Neuen Spielern (Highscore-) Erfolge ermöglichen 204 Neue Spieler für ältere Spieler im Teamspiel wertvoll machen 206 Alte Spieler mit passenden Herausforderungen oder Aufgaben erfreuen 207 Endgamekonzepte für persistente Spielwelten 207 Wachstumsstufen des Spiels (neuer Content) 207 Rollentausch 208 Achievements (Metagame – 100 % erreichen) 208 Aufgaben 209 Events 210 Highscore/Liga 210 Sanfter Reset durch Loop 210 Boss Challenge1: Looping Gamer – Wiederspielwert für Ihr endliches Spiel 212 Boss Challenge2: Looping Gamer – Endgame für Ihr persistentes Spiel 213 Teil IV: Die Spieleidee kommunizieren 215 Kapitel 9 Spieler: »In Deinem Spiel kann man was noch mal?« 217 Klick und weg 217 The Gamedesigner’s Journey to Teachdom 219 Das Gehirn 219 Entschlüsselungsversuche: Lerntheorien 222 Lerntypen 227 Wissen aufnehmen 228 Wissen behalten 230 Beispiele für Wissensvermittlung an Spieler 236 Zuordnungsversuche zu Lerntypen 239 Boss Challenge: Still, still, still, weil der Spieler Anleitung lesen will 240 Kapitel 10 Teamkollegen: »Was soll ich umsetzen? Und wie genau?« 243 Welche Ziele verfolgen Sie? 243 Grundlagen guter Zusammenarbeit 244 Mysterium Teamplay 244 Art zu kommunizieren – Von Spatzen und Kanonen 245 Moodboard 248 Funktionen eines Moodboards 248 Aussehen und Inhalt eines Moodboards 249 Zu erreichende Ziele 249 Das Gamedesigndokument 250 Die Ziele des Gamedesigndokuments 251 Welche Inhalte? Welche Leser? 251 Welche Formen können GDD-Inhalte annehmen? 252 Mockup, Prototyp 256 Boss Challenge: GDD No.1 257 Kapitel 11 Marketing: »Was ist toll an deinem Spiel?« 259 Was ist Marketing? 259 Warum Marketing für Gamedesigner? 260 Ihre 4 wichtigen Marketingaufgaben 260 Alleinstellungsmerkmale – Was ist das Besondere? 261 Ansprache der Zielgruppe 263 Suchmaschinenoptimierung (SEO) 265 Marketingkanäle und Marketingmix 265 Boss Challenge: Mein Spiel ist toll, weil … 268 Teil V: Der-Top-Ten-Teil 271 Kapitel 12 10-mal Zahlenmagie für Gamedesigner 273 Zahlen mit dem passenden Gefühl 273 Balancing auf Spielzeit 274 Balancing der Wartezeit auf Belohnungen 275 Erfahrungspunkte für den Stufenanstieg 276 Wahrscheinlichkeiten im Kampf 278 Fairness im Kampf – Schaden pro Sekunde 279 Fairness im Kampf – Schadensauswirkungen schätzen 281 Fairness im Kampf – Matching 282 Brötchen verdienen – Umsatz 285 Mit Gold richtig umgehen – Inflation by design vermeiden 286 Kapitel 13 Zehn Einsteigerfragen zum Gamedesign 289 Wie wird man Gamedesigner? Muss man Gamedesign studieren? 289 Was benötigt man, um Games zu entwickeln? 290 Müssen Gamedesigner programmieren und zeichnen können? 290 Was verdienen Gamedesigner? 291 Wo sollte man Gamedesign studieren? 291 Wo und wie arbeiten Gamedesigner? 292 Gibt es Arbeitsplätze in Deutschland? 292 Was müssen Gamedesigner können? 293 Wird Spielen für Gamedesigner zur lästigen Arbeit? 293 Wie lange muss man Gamedesign lernen, um AAA-Titel veröffentlichen zu können? 293 Anhang 295 Anhang A Lösungshilfen zu einigen Buchquesten 295 Lösungshilfen zu ausgewählten Buchquesten aus Kapitel 3 295 Queste (Kap3Q1): Gamedesigntücken – Nach Regellücken bücken 295 Queste (Kap3Q4): Ich packe meine Gamedesignhandwerkskiste –Startbildschirm 298 Lösungshilfen zu ausgewählten Questen aus Kapitel 4 302 Queste (Kap4Q1): Spaß hoch 10 302 Queste (Kap4Q4): Spielekasper: »So spiele ich mein Genre nicht.« 303 Lösungshilfen zu ausgewählten Questen aus Kapitel 6 305 Queste (Kap6Q1): Sei so richtig grob, Tiger! 305 Queste (Kap6Q2): Tabellenkalkulation ist kein Hexcelwerk 306 Lösungshilfen zu ausgewählten Questen aus Kapitel 7 307 Queste (Kap7Q3): Guten Tag, Bogenkontrolle! 307 Anhang B Wie analysiert man Spiele? 309 Shakes&Fidget 309 LETTER 314 Fluxx 318 Overload 321 Ursuppe 323 Carcassonne 327 Stichwortverzeichnis 333

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Book SynopsisQuantencomputing könnte die Informatik wie wir sie heute kennen revolutionieren. Die Möglichkeiten dieser Technologie sind enorm. Aber was steckt eigentlich dahinter? Mit diesem Buch führen Sie die Autoren so verständlich wie möglich in dieses komplexe Thema ein. Sie erklären Ihnen was es mit dem Quantencomputing überhaupt auf sich hat und erläutern die mathematischen und physikalischen Modelle, die ihm zugrunde liegen. Sie vergleichen Quantencomputing mit der aktuellen Informatik und werfen einen Blick darauf welche Anwendungen dadurch schon bald und welche in der weiteren Zukunft denkbar sind.Table of ContentsÜber den Autor 9 Einleitung 21 Über dieses Buch 21 Törichte Annahmen über die Leser 21 Vor welchen speziellen Herausforderungen standen wir? 23 Wo liegen die verstandesmäßigen Knackpunkte? 23 Damit stehen wir vor der folgenden Aufgabe 24 Umgang mit der Komplexität 24 Was muten wir zu? 25 Wie dieses Buch aufgebaut ist 26 Eingestreute »two cents« 28 Was wir draußen ließen 28 Konventionen und Symbole in diesem Buch 29 Danksagungen 29 Widmungen 30 Teil I: Neue Phänomene und neue Betrachtungsweisen 31 Kapitel 1 Quantencomputing – hope or hype? 35 Analogcomputer – Digitalcomputer – Quantencomputer 36 Konzepte des Quantencomputers 37 Verheißungen 38 Höher – schneller – weiter 38 Ein heiliger Gral des Quantencomputing 39 Verheißungen im Überblick 40 Berechenbarkeit und ihre Grenzen 41 Weitere Vereinheitlichungen in der Physik 41 Die Welt als prinzipiell berechenbares Uhrwerk 42 Neue Vorstellungen – neue Formeln – neue Datenstrukturen 42 Kapitel 2 Unterschiede, die einen Unterschied machen 47 Bits und Qubits 48 Bits 48 Qubits 48 Das geometrische Bild eines Qubit 49 Algebraische Beschreibung eines Qubit 53 Im Herzen des Quantencomputing 55 Ein erster Einstieg – dense coding 55 Operationen mit Vektoren – Ausblick auf Matrizen 59 Kapitel 3 Matrizen 61 Zum Einsatz und zur Handhabung von Matrizen 61 Beispiel: Fertigungskosten und ihre Abhängigkeiten 62 Zwischenbetrachtung: Klassische Bits und Bitfolgen als Vektoren 64 Bits implementiert als spezielle Qubits 64 Irritationen beim Übergang zum kartesischen Produkt 65 Wenn nicht das kartesische Produkt – was dann? 66 Welche Hypothek gehen wir mit dem Tensorprodukt gegenüber der Natur ein? 67 Bits als Vektoren: ein erstes Resümee 70 Bellzustände 71 Lineare Operationen auf Tensorräumen 71 Operationen zur Erzeugung einer Bell-Basis 71 Transformationen der Bell-Basis 75 Was ist nun das Besondere der Bell-Basis 77 Dense coding – revisited 79 Ausblicke 80 Kapitel 4 Teleportation – abstrakt und physikalisch 81 Beam me up, Scotty 82 Teleportation für Mathematiker 82 Ein erstes Resümee der mathematischen Beschreibung 87 Teleportation für Physiker 87 Resümee der physikalischen Beschreibung 94 Teil II: Neue Spielregeln in der Physik 95 Kapitel 5 Hinter dem Monitor 97 Die klassische Sichtweise 98 Klassische Physik 98 Ein Blick hinter den Monitor… 99 … und hinter die Physik 99 Kapitel 6 Abstieg in die Unterwelt 103 Geänderte Spielregeln 104 Skalierungen 104 »Law without law« 105 Berechnungen des Zufalls 106 Was läuft in der Mikrophysik »schief« – oder besser: anders 112 Auf welche Weise kommen Elementarereignisse und ihre Wahrscheinlichkeiten zustande? 112 Amplituden – Zusammenfassung ihrer funktionalen Prinzipien 120 R-Prozesse – Messungen 121 Doppelspalt – revisited 122 U-Prozesse – ungestörte Dynamik 125 Beschreibung der U-Prozesse 126 Einige »Gretchenfragen« 126 Infinite (?) Regresse 126 Management Summary 127 Der zu zahlende Preis 128 Letzte Notizen zum Messproblem in der Quantenmechanik 129 Versuche der Widerspruchsauflösung 130 Teil III: Qubits und ihre Operatoren 133 Kapitel 7 Bits – als Vektoren betrachtet 135 Bits und Qubits 136 Vorbereitung des Übergangs von Bits zu Qubits – Bits als Vektoren 136 Der Übergang von logischen Operationen zu unitären Operatoren – ternäre Operatoren 142 Wo stehen wir nun – und wo wollen wir hin? 146 Kapitel 8 Qubits – revisited 147 Qubits und ihre Operatoren 147 Das einzelne Qubit und seine Blochsphäre 148 Unitäre Operatoren auf dem einzelnen Qubit 152 Noch mehr unitäre Operatoren 157 Universalitätseigenschaften der Qubit-Operationen 162 Notizen zu physikalischen Implementierungen 163 Quantensysteme mit zwei (ausgezeichneten) Zuständen 164 Kapitel 9 Methoden der Fehlerbehandlung 165 Das No-Cloning-Theorem 166 Bitflip-Codes 167 Implementierung des Bitflip-Codes 167 Zur Messbarkeit einzelner Bitflips 168 Identifikation und Korrektur eines Bitflips an beliebiger Stelle 170 Phasenflip-Codes 171 Rückführung von Phasenflips auf Bitflips 172 Shor-Code 173 Teil IV: Quantenfouriertransformationen und mehr 175 Kapitel 10 Fouriertransformationen 177 Vorüberlegungen zur Fourieranalyse 178 Periodische Funktionen 178 Zur Fourieranalyse 180 Formeln der Fourieranalyse 181 Auf dem Weg zur diskreten Fouriertransformation 183 Ein kurzer Steilkurs in Modulorechnung 183 Die Relevanz der Ordnung einer Klasse für die Primfaktorzerlegung 185 Zwischenresümee: Wo stehen wir, wo wollen wir hin? 185 Eine Herleitung der diskreten Fouriertransformation 186 Übergang von einer Zahlenfolge zu einer Treppenfunktion 187 Die diskrete Fouriertransformation als lineare Abbildung 188 Normierung der Transformationsmatrix 189 Die Quantenfouriertransformation 190 Zur Power eines N-Qubit-Systems 190 Codierung der Basis eines N-Qubit-Systems 191 Eingaben in die Quantenfouriertransformation 192 Zur Aufbereitung der Quantenfouriertransformierten 193 Dualbrüche in e2πi kj 2n 194 Abschließende Regruppierung der Quantenfouriertransformierten 196 Management Summary: Mathematische Aufbereitung der Quantenfouriertransformierten 198 Implementierung der Quantenfouriertransformation 198 Gewinnung des Phasenfaktors e(2πi)(0,jn−l+1···jn)2 199 Schaltbilder für die Quantenfouriertransformation 201 Kapitel 11 Anwendungen der Quantenfouriertransformation 203 Phasenschätzung 204 Iterierte U-Operationen 204 Spezialfall: 𝜑 = (0, 𝜑1𝜑2 · · · 𝜑t)2 205 Näherungen 207 Management Summery: Phasenabschätzung von e2πi𝜑 210 Folgerungen der Phasenabschätzung: Wege zum Bestimmen der »Ordnung« einer Zahl 211 Iterierte Multiplikation mit einem festen [x] 211 Parallele Verarbeitung der Eigenvektoren |us⟩ 213 Finale der Berechnung der Ordnung 215 Management Summery: Berechnung der Ordnung einer Zahl 216 Der Shor-Agorithmus 217 Konsequenzen für die Kryptologie 218 Teil V: Weitere Anwendungen 219 Kapitel 12 »Feind hört (nicht) mit« 221 Zum Einstein-Podolski-Rosen-Paradoxon 221 Bellzustand zweier Teilchen mit Spin 221 Hidden variables 222 »second two cents« 222 Die bellsche Ungleichung 223 Berechnung der Erwartungswerte 224 Unvereinbarkeit der bellschen Ungleichung mit der Quantenmechanik 226 Rollentausch: Teilchen im Bellzustand als Münzen 226 Die Rechnungen im Einzelnen 228 Relevanz der bellschen Ungleichung für Verschlüsselungsverfahren 231 (K)ein »Knacken in der Leitung« 232 Symmetrische und asymmetrische Verfahren 233 Die Funktionsweise symmetrischer Verschlüsselungsverfahren 233 Das BB84-Protokoll 234 Zusammenfassung des BB84-Protokolls 239 E91-Protokoll 240 Kombination mit klassischen Verschlüsselungsverfahren 242 Kapitel 13 Wer suchet, der findet (schneller) 245 Die Suche im Heuhaufen 245 Benutzung eines Quantenschaltkreises 245 Idee des Grover-Algorithmus 246 Analyse der Grover-Iterationen 246 Kapitel 14 Zur Quantensimulation durch Quanten 251 Bemerkungen zu analogen Verfahren 252 Gradientenstrategien 252 Adiabatisches Quantencomputing 254 Zum adiabatischen Theorem der Quantenmechanik 255 Teil VI: Top Ten Teil 261 Kapitel 15 Ein Zusammenspiel von Physik, Mathematik, Informatik und Ingenieurwissenschaften in 10 Schritten 263 Und in fernerer Zukunft? – Vision in Rosa 266 Anhang 267 Anhang A Theoreme zur klassischen Zahlentheorie 269 Restklassenringe 269 Wohldefiniertheit der Operationen auf den Restklassen 270 Der euklidische Algorithmus 271 Einheiten in ℤn 272 Eulersche 𝜑-Funktion 272 Return on Invest – das RSA-Verfahren in der Kryptologie 273 Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren 274 Das RSA-Verfahren in der Theorie 274 Praktische Bemerkungen zum RSA-Verfahren 276 Faktorisierung 277 Auffinden eines nichttrivialen Faktors von n 277 Notizen zu Kettenbrüchen 278 Kettenbrüche und ihre Konvergenten 279 Finale des Auffindens der gesuchten Ordnung r 281 Anhang B Komplexe Zahlen 283 Addition und Multiplikation 283 Definition der Multiplikation 284 Vektoren in der Rolle komplexer Zahlen 285 Wichtige Kenngrößen 285 Die komplexe e-Funktion 286 Komplexe Zahlen in Polarkoordinaten 287 Komplexe Zahlen als Matrizen 288 Anhang C Stochastik 291 Einführung 291 Ereignisse und Elementarereignisse 291 Wahrscheinlichkeiten 293 Wahrscheinlichkeitsräume 294 Benutzung mengentheoretischer Operationen 294 Bedingte Wahrscheinlichkeit und stochastische Unabängigkeit 295 Regeln zur Berechnung der Wahrscheinlichkeiten mengentheoretisch verknüpfter Ereignisse 295 Wahrscheinlichkeitsräume in der Quantenmechanik 297 Elementarereignisse in der Mikrowelt 297 Resümee 298 Anhang D Identische Teilchen 301 Klassischer Münzwurf 301 Analyse des Münzwurfs 303 »Münzwurf« mit Mikroteilchen 303 Anhang E Lineare Algebra in a nutshell 307 Vektoren 307 Addition 307 Skalare Multiplikation 309 Skalarprodukt 309 Darstellung von Vektoren im dreidimensionalen Raum 310 Abstrakte Vektorräume 311 Charakterisierung eines abstrakten Vektorraums 311 Besonderheiten des komplexen Skalarprodukts 312 Linearkombinationen, Basen und Dimensionen 312 Normierte Vektoren und Orthonormalbasen 313 Hilberträume 313 Kartesische und Tensorprodukte 314 Tensorprodukte 314 Lineare Abbildungen 315 Lineare Abbildungen und Matrizen 315 Eigenwerte und Eigenvektoren 316 Matrizen und Tensorprodukte 316 Skalarprodukte auf Tensorräumen 317 Unitäre Operatoren 317 Hermitesche Operatoren 317 Anhang F Wichtige Hermitesche Operatoren in der Quantenmechanik 319 Zur physikalischen Interpretation der Wellenfunktion 321 Repräsentation der Messapparate 322 Die Observablen für Ort und Impuls 324 Überblick über die Darstellungen des Orts- und Impulsoperators 327 Der Hamiltonoperator 330 Eigenwerte und Eigenfunktionen eines freien Teilchens 331 Anhang G Schrödingergleichung 333 Bedeutung von e−iH⋅t ℏ 333 Zur effizienten Berechenbarkeit der Lösungen 335 Letzte Spekulationen 336 Anhang H Symbolverzeichnis 339 Abbildungsverzeichnis 341 Stichwortverzeichnis 347

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Book SynopsisSPS ohne Stress Wenn Sie Maschinen oder Anlagen mithilfe einer SPS auch ohne Vorkenntnisse steuern möchten, dann ist dieses Buch für Sie gemacht. Ob Aufbau der Hardware, Installation und Verdrahtung oder Erstellung von Programmen: Jederzeit leicht verständlich erläutert Ihnen Oliver Tonn Grundlagen und fortgeschrittene Techniken der SPS-Programmierung. Dabei lernen Sie SPS sowohl herstellerunabhängig kennen als auch Besonderheiten der verschiedenen Hersteller. Mit zahlreichen Praxisbeispielen vertiefen Sie Ihr Wissen und wenden es schon bald in komplexeren Szenarien erfolgreich an. Sie erfahren Wie Sie ein SPS-Projekt und -Programm erstellen Wie Sie einen Antrieb steuern Wie Sie mit TwinCAT 3 und TIA visualisieren Wie Sie Fehler vermeiden und beheben Table of ContentsÜber den Autor 9 Einleitung 19 Teil I: Weiche Ware 25 Kapitel 1: Das 1×1 des Bitverbiegens 27 Kapitel 2: Immer schön im Kreis, ohne Pause und bitte gleichmäßig 83 Kapitel 3: Die babylonische Sprachverwirrung 89 Kapitel 4: Die Steuerzentrale 117 Kapitel 5: Bitverbiegen von A–Z 139 Kapitel 6: Ich kam, sah und bediente 147 Teil II: Etwas Handfestes 181 Kapitel 7: Alles zurück auf Anfang 183 Kapitel 8: Elektronen bändigen leichtgemacht 187 Kapitel 9: Das Gehirn und der Rest 213 Kapitel 10: Alles IO! 225 Kapitel 11: Elektriker sucht Kontakt 269 Kapitel 12: Fahren Sie Bus? 275 Teil III: Und es bewegt sich doch! 285 Kapitel 13: Die treibende Kraft 287 Kapitel 14: Erst loslaufen, wenn ich es sage! 299 Teil IV: Berühren verboten! 339 Kapitel 15: Gefahr erkannt, Gefahr gebannt 341 Kapitel 16: Das funktioniert ganz sicher! 345 Kapitel 17: Sicher bitverbiegen 349 Teil V: Die Tücken des Alltags und wie man sie umschifft sowie fast letzte Worte 403 Kapitel 18: Hier läuft etwas schief! 405 Kapitel 19: Ein Rettungsanker und ein nahes Ende 425 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 429 Kapitel 20: Zehn Dinge, die beim Arbeiten mit einer SPS schiefgehen können 431 Kapitel 21: Zehn Dinge, die Sie mit einer SPS tun können 433 Abbildungsverzeichnis 435 Stichwortverzeichnis 447

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Book SynopsisDieses Buch bietet Ihnen eine verständliche Einführung in die Messtechnik, mitsamt den nötigen mathematischen und statistischen Grundlagen. Der Autor führt Sie dabei mit zahlreichen praxisnahen Beispielen durchs gesamte Thema. Der Fokus liegt auf der modernen Messtechnik, also beispielsweise dem Einsatz von digitalen Multimetern. Lernen Sie, die Geräte korrekt zu nutzen, Messabweichungen zu erkennen und zu vermeiden sowie nach den Messungen alles präzise zu berechnen. Von den verschiedenen Messmethoden über die Messung von Widerstand und Leistung bis zur Bestimmung der Impedanz ist alles dabei. Dank anschaulichen Abbildungen und Diagrammen steht dem Lernerfolg nichts mehr im Wege.Table of ContentsÜber den Autor 11 Danksagung 11 Einleitung 23 Über dieses Buch 24 Konventionen in diesem Buch 25 Was Sie nicht lesen müssen 25 Törichte Annahmen über den Leser 25 Wie dieses Buch aufgebaut ist 26 Teil I: Einführung, Messmethoden und Messgeräte – Sie lernen die Grundlage 26 Teil II: Messabweichungen – perfekt genau messen geht nicht 27 Teil III: Messung zeitlich konstanter elektrischer Signale – Sie messen Strom, Spannung, Widerstand, Leistung 28 Teil IV: Messung zeitlich veränderlicher (sinusförmiger) Größen 28 Teil V: Der Top-Ten-Teil 29 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 29 Wie es weitergeht 30 Teil I: Einführung, Messmethoden und Messgeräte – Sie lernen die Grundlagen 31 Kapitel 1: Motivation und Einführung – warum hilft messen? 33 Aufgabe der Messtechnik 35 Das SI-Basissystem der Einheiten und einige Vorsätze vor Einheiten 36 Begriffsdefinitionen: Was ist denn messen? 39 Kapitel 2: Messmethoden nach DIN 1319-2 – Normen helfen 41 Direkte Messmethode 41 Indirekte Messmethode 41 Ausschlags-Messmethode 43 Differenz-Messmethode 44 Nullabgleich-Messmethode (auch: Kompensations-Messmethode) 45 Analoge Messmethode 46 Digitale Messmethode 47 Anwendungen (Beispiele) aus der Elektrotechnik 47 Abgleichbrücke als Nullabgleich-Messmethode 47 Differenz-Messmethode: Ausschlagbrücke 50 Kapitel 3: Messprozess und Auswertung sowie Darstellung von Messergebnissen 53 Messen besteht aus einer Vielzahl von Aufgaben – Sie haben einen Messprozess 54 Auswertung von Messergebnissen 55 Kennlinie 56 Linearisierung von Messsignalen: Empfindlichkeit und Offset 57 Beispiel eines möglichen Sensordatenblatts 61 Grafische Darstellung von Messergebnissen 62 Kapitel 4: Eigenschaften von Messgeräten 65 Statische Eigenschaften 65 Dynamische Eigenschaften 67 Verhalten und Empfehlung 72 Kapitel 5: Grundlegende Funktionsweise von zwei Messgerätearten 73 Funktionsweise des digitalen Multimeters – (fast) ein Alleskönner 73 Messung von Gleichspannung 74 Messung des Stroms 75 Messung des Widerstands 76 Messung von Wechselspannungen 76 Funktionsweise des analogen Drehspulinstruments – ein Urgestein unter den Messgeräten 77 Temperaturabhängigkeit der Spule 79 Messung der Gleichspannung 80 Messung von Wechselgrößen 80 Teil II: Messabweichungen – perfekt genau messen geht nicht 81 Kapitel 6: Voraussetzungen, Festlegungen, Messabweichung und Auflösung 83 Voraussetzungen für eine genaue Messung mit einem Messgerät 84 Definitionen – wir sollten uns einigen 84 Allgemeine Festlegungen der verwendeten Werte 85 Definition der Messabweichung 86 Definition der Auflösung des Messgeräts 88 Kapitel 7: Systematische Messabweichungen: Messgerät und Messaufbau sind nicht perfekt 89 Die systematische Messabweichung von Messgeräten 91 Messabweichung eines digitalen Messgeräts 92 Die systematische Messabweichung des Messaufbaus 96 Fortpflanzung systematischer Messabweichungen – auch Fehler vermehren sich 98 Vereinfachtes Vorgehen bei Produkten und Quotienten – man darf es sich auch leichter machen 101 Es geht noch leicht weiter: vereinfachtes Vorgehen bei Summen und Differenzen 103 Einfach geht nicht immer: der allgemeine Fall an einem Beispiel 106 Kapitel 8: Zufällige Messabweichungen: »Würfeln« abschätzen 109 Zur Wiederholung: das Wichtigste aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung 111 Wesentliche Eigenschaften der Wahrscheinlichkeit 111 Relative und absolute Häufigkeit 111 Verteilungsfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte 114 Die gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichte (Normalverteilung) und der zentrale Grenzwertsatz 116 Der Erwartungswert und Momente 119 Zentrale Momente, Varianz und Standardabweichung 120 Sie messen nicht unendlich oft: Mittelwert und Standardabweichung einer Stichprobe 121 Fehlerfortpflanzung von zufälligen Messabweichungen – auch diese vermehren sich 123 Vertrauensbereich des Mittelwerts, Student-t-Verteilung und erweiterte Toleranzangabe bei Stichprobenmessungen 127 Vertrauensbereich für den Mittelwert 128 »Korrekturfaktor« auf Basis der Student-t-Verteilung 131 Vollständige Angabe eines zufälligen (statistischen) Messwerts 135 Ausreißer-Bestimmung: grobe Abweichungen, die getrost weggelassen werden können 138 Vorgehen bei systematischen und zufälligen Messabweichungen 139 Ein Beispiel mit allem drin 140 Teil III: Messung zeitlich konstanter elektrischer Signale – Sie messen Strom, Spannung, Widerstand, Leistung 147 Kapitel 9:Messung der Gleichspannung 149 Eigenschaften anhand der Spannungsmessung einer Spannungsquelle – wir starten einfach 149 Qualitative Betrachtung und Merkregel zur Spannungsmessung 150 Genauigkeitsuntersuchung zur Spannungsmessung – Sie möchten präzise messen 152 Gleichspannungsmessung an einem Widerstand – jetzt messen Sie wirklich an einem Widerstand 154 Äquivalente Schaltungsumwandlung – Umwandlung macht das Leben leichter 155 Genauigkeitsbetrachtung der Spannungsmessung an einem Widerstand 157 Messbereichserweiterung der Spannungsmessung 158 Kapitel 10: Messung des Gleichstroms 163 Eigenschaften anhand der Strommessung mit einer Spannungsquelle – wir starten wieder einfach 163 Qualitative Betrachtung und Merkregel zur Strommessung 164 Genauigkeitsuntersuchung zur Strommessung – so messen Sie präzise 165 Messbereichserweiterung der Strommessung 168 Kapitel 11: Messung des elektrischen Widerstands und der elektrischen Leistung 175 Messung des Widerstands direkt mit einem Digitalmultimeter – und schnell 176 Widerstandsmessung durch gleichzeitiges Messen von Strom und Spannung – wenn‘s präzise sein soll 176 Stromrichtige Schaltung 176 Spannungsrichtige Schaltung 179 Auswahlregel für die zwei Messverfahren 183 Messung der elektrischen Leistung: wieder durch gleichzeitige Stromund Spannungsmessung 184 Messung von Widerständen mit der Wheatstone-Brücke – genauer wird‘s nicht 186 Abgleichbrücke 187 Ausschlagbrücke zur Messung kleiner Widerstände ΔR 190 Genauigkeit der Wheatstone-Brücke – das Voltmeter hat doch einen kleinen Einfluss 197 Teil IV: Messung zeitlich veränderlicher (sinusförmiger) Größen 205 Kapitel 12: Grundbegriffe, damit wir uns richtig verstehen 207 Amplitude (Scheitelwert) und Periodendauer 208 Arithmetischer Mittelwert 209 Gleichrichtwert 209 Effektivwert 211 Darstellung und Zusammenfassung der wichtigen Kenngrößen 212 Kapitel 13: Das Oszilloskop – Sie können zeitlich veränderliche Größen darstellen und messen 215 Wesentliche Baugruppen eines modernen Oszilloskops 215 Die Vertikalbaugruppe 216 Die Horizontalbaugruppe 216 Die Triggerbaugruppe – Sie brauchen ein stehendes Bild 217 Anzeigebaugruppe – So lesen Sie richtig ab 218 Verstärkungseigenschaften – auch Signale brauchen Verstärkung 220 Ersatzschaltbild der Oszilloskop-Eingangsklemme 220 Verstärkungsbandbreite und Tastkopf: Sie teilen die Signale frequenzunabhängig 221 Genauigkeit eines Oszilloskops: nothing is perfect 231 Kapitel 14: Messung der Signalform, Frequenz und Wechselspannungsleistung mit dem Oszilloskop 233 Messung der Signalform, Frequenz, Amplitude und Effektivwert mit dem Oszilloskop 233 Leistungsmessung von Wechselspannungen mit dem Oszilloskop 235 Grundbegriffe: Wirk-, Blind- und Scheinleistung – was ist das? 235 Leistungsmessung mit dem Oszilloskop 241 Kapitel 15: Bestimmung von Wirk- und Blindwiderstand (Impedanz) 247 Grundbegriffe von Wirk- und Blindwiderstand (Impedanz) 247 Serienersatzschaltung eines realen induktiven Wechselstromwiderstands 248 Serienersatzschaltung eines realen kapazitiven Wechselstromwiderstands 250 Bestimmung der Impedanz aus Gleich- und Effektivwertmessung 251 Bestimmung der Impedanz und des Verlustwinkels mit dem Oszilloskop 253 Impedanzbestimmung mit der Wechselspannungsbrücke 261 Grundlagen der Wechselspannungsbrücke – Abwechslung in der Betrachtung 262 Nicht abgleichbare Wechselspannungsbrücke 263 Kapazitätsbestimmung mit der Wien-Brücke (kapazitive Impedanz) 265 Induktivitätsmessbrücke nach Maxwell-Wien (induktive Impedanz) 268 Genauigkeit der Wechselspannungsbrücke, auch hier wieder 271 Teil V: Der Top-Ten-Teil 275 Kapitel 16: Zehn Tipps zum Erlernen der Messtechnik-Theorie und zur praktischen Umsetzung 277 Nicht sofort aufgeben – nachdenken, auch Mitstreiter fragen und mit diesen diskutieren 277 Sorgfältig lesen – wenn das so einfach wäre 278 Schreiben Sie sich das Wesentliche raus 279 Übung macht den Meister 280 Vergessen Sie nicht abzuschalten – auch Feiern gehört dazu 280 Nach viel Theorie gehört auch praktisches Messen dazu 281 Messergebnisse zu Beginn direkt auf Plausibilität prüfen 282 Eine plausible Messung hat mehr als einen Messwert 282 Messaufbau und Versuchsinstrumente kontrollieren – viel hilft hier viel 283 Im Zweifelsfall Zeit nehmen und sorgfältig arbeiten 283 Kapitel 17: Meine zehn Lieblingsbücher zur Messtechnik 285 DIN 1319-1: Grundlagen der Messtechnik, Teil 1: Grundbegriffe und DIN 1319-2: Grundlagen der Messtechnik, Teil 2: Begriffe für Messmittel Beide sind erschienen im Beuth Verlag, Berlin 285 Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement, Working Group 1 of the Joint Committee for Guides in Metrology ( JCGM/WG 1) 286 Elmar Schrüfer, Leonhard Reindl und Bernhard Zagar Elektrische Messtechnik, Carl Hanser Verlag, 2018 286 Reinhard Lerch: Elektrische Messtechnik, Springer Vieweg, 2016 286 Lerch, Kaltenbacher, Lindinger, Sutor: Elektrische Messtechnik Übungsbuch, Springer, 2005 286 Thomas Mühl: Elektrische Messtechnik Grundlagen, Messverfahren, Anwendungen Springer Vieweg, 2017 287 Hans-Rolf Tränkler und Leonhard M Reindl (Hrsg.): Sensortechnik. Handbuch für Praxis und Wissenschaft Springer Vieweg, 2018 287 Lothar Litz: Wahrscheinlichkeitstheorie für Ingenieure – Grundlagen, Übungen, Anwendungen Bookboon, 2015 Lothar Litz: Zufallsvariablen für Ingenieure Bookboon, 2015 287 Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik Aula-Verlag, 2013 288 Michael Felleisen: Elektrotechnik für Dummies WILEY-VCH, 2019 288 Anhang A: Lösungen der Übungsaufgaben 289 Übungsaufgabe 1 289 Übungsaufgabe 2 290 Übungsaufgabe 3 291 Übungsaufgabe 4 291 Abbildungsverzeichnis 293 Stichwortverzeichnis 301

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Book SynopsisDieses Buch bietet eine kompakte, verständliche Einführung in das Thema "Rechnerarchitektur". Alle heute essenziellen Themengebiete werden behandelt. Der Schwerpunkt des Buches liegt auf der systemtechnischen funktionalen Beschreibung von Rechnern, ihren Komponenten und Prozessen, ohne auf die unzähligen Details dedizierter Systeme einzugehen. Die funktionale Darstellung mittels geeigneter Modellierungstechniken erlaubt das grundsätzliche Verständnis dieser Systeme, unabhängig von der jeweiligen Art der Realisierung und dem aktuellen Stand der Technologie. So müssen Sie keine Sorge haben, dass Sie sich bei der Prüfungsvorbereitung in den Details verlieren.Table of ContentsÜber den Autor 7 Einleitung 19 Über dieses Buch 20 Törichte Annahmen über den Leser 21 Was Sie nicht lesen müssen 22 Wie dieses Buch aufgebaut ist 22 Teil I: Grundlegendes zu Rechnerarchitekturen 22 Teil II: Das Kernelement: Der Prozessor 22 Teil III: Das Konzept der Speicherhierarchie 23 Teil IV: Vom Nutzen der Parallelverarbeitung 23 Teil V: Der Top-Ten-Teil 23 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 23 Wie es weitergeht 24 Teil I: Grundlegendes zu Rechnerarchitekturen 25 Kapitel 1 Blick aus der Vogelperspektive 27 Das Zeitalter der Computer 27 Embedded Systems und Ubiquitous Computing 28 Klassen von Rechnern 30 Der Begriff »Rechnerarchitektur« 33 Die Instruction Set Architecture (ISA) 34 Die Mikro-Architekturebene 38 Die Definition der Rechnerarchitektur aus meiner Sicht 38 Höchstintegration und die Grenzen des Wachstums 39 Steigerung der Anzahl der Transistoren auf einem Chip 39 Der Performance-Gap 42 Alternativen zur Steigerung der Taktrate 44 Fortschritte beim automatisierten Entwurf solcher Chips 45 Modellierungstechnik 47 Aufbaupläne (Instanzennetze) 48 Ablaufpläne (Petri-Netze) 51 Kapitel 2 Leistungsbewertung von Rechnern 55 Überblick über Leistungsmaße 56 MIPS und MFLOPS 57 Die Prozessorausführungszeit 58 Vereinfachung durch den CPI-Wert 61 Benchmarkprogramme 63 Das Gesetz von Amdahl 67 Teil II: Das Kernelement: Der Prozessor 71 Kapitel 3 Die von Neumann-Maschine 73 Die Komponenten eines von Neumann-Rechners 76 Der Prozessor 76 Die Ein-/Ausgabeeinheit 77 Der Hauptspeicher 78 Der Systembus 79 Charakteristika der von Neumann-Maschine 80 Interpretation der Informationskomponenten 80 Befehlszählerprinzip und die Abwicklung eines Programms 84 Prozesse und Strukturelemente in einem Rechner 87 Komponenten des Operationswerks 94 Speicherorganisation 104 Klassen von Prozessorarchitekturen 118 Das Steuerwerk 124 Kapitel 4 Programmiermodell und Assemblerprogrammierung 139 Charakteristische Merkmale der Hochsprachen-Programmierung 140 Charakteristische Merkmale der maschinennahen Programmierung 140 Das Programmiermodell 141 Assemblerprogrammierung 143 Der Befehlssatz des Prozessors 144 Adressierungsarten 150 Assemblerprogrammierung am Beispiel 158 Ablauf der Assemblierung 166 Unterprogrammtechnik 179 Kapitel 5 Kommunikation und Ausnahmeverarbeitung 193 Datenaustausch über den Systembus 193 Zeitverhalten am Systembus 194 Synchroner Bus 194 Semi-synchroner Systembus 197 Asynchroner Systembus 198 Bussysteme in der heutigen Praxis 202 Bus-Arbitration 203 Lokale Bus-Arbitration 203 Globale Bus-Arbitration 206 Priorisierung mehrerer Master 207 Zentrales Verfahren zur Busvergabe 207 Dezentrales Verfahren zur Busvergabe 208 Erweiterung des Prozessormodells 209 Ausnahmeverarbeitung 210 Einführung des Abwicklerverwalters 211 Klassifizierung von Unterbrechungen und Ausnahmeverarbeitungen 213 Priorisierung in einer Interruptebene 222 Modellierung des Hardware-Dispatchers 228 Ein-/Ausgabe-Interfaces und Synchronisation 234 Ein-/ Ausgabe-Interfaces 234 Informationelle Struktur eines Interface-Bausteins 235 Synchronisation mit peripheren Instanzen 236 Synchronisation durch Busy-Waiting 238 Synchronisation durch Programmunterbrechung 241 Synchronisation durch Handshake-Betrieb 241 Direkter Speicherzugriff DMA (Direct Memory Access) 243 Der DMA-Controller 246 Aufbau eines DMA-Controllers 247 Das Kommunikations-Interface PCI-Express 251 Teil III: Das Konzept der Speicherhierarchie 253 Kapitel 6 Speichersysteme im Rechner 255 Der optimale Rechner 255 Die Speicherhierarchie 257 Inhomogenität und Organisation der Speicherhierarchie 259 Lokalitätseigenschaften von Programmen 262 Prinzipieller Aufbau von Halbleiter-Speicherbausteinen 263 Festwertspeicher 264 Schreib-/Lesespeicher 265 Speicherzugriffe mittels Blockbuszyklen 271 Verschränkung von Speicherbänken (Interleaving) 272 Modularer Speicheraufbau 275 Organisation des Hauptspeichers 276 Praktische Ausprägung des Hauptspeicherzugriffs 278 Eine Lösung durch spezielle Chipsätze 280 Weitere Bausteintypen für Schreib-/Lesespeicher 283 Sekundärspeicher 285 Festplatten 286 Redundant Array of Inexpensive Disks (RAID) 288 Solid State Disks (SSD) 290 Unternehmensweite Speichersysteme (NAS und SAN) 290 Archivspeicher 292 Optische Plattenspeicher 292 Magnetbandspeicher 293 Kapitel 7 Cachespeicher 295 Das Problem der Zykluszeit 296 Die Idee des Cachings 296 Systemstrukturen für Caches 299 Look-aside-Cache 299 Look-through-Cache 300 Zugriff auf den Cachespeicher 301 Lesezugriffe 301 Schreibzugriffe 303 Die Idee des Assoziativspeichers 306 Verdrängungsstrategie und Alterungsinformation 308 Arbeitsweise des Cachespeichers 309 Trefferrate und Zugriffszeiten 309 Cache-Kohärenzproblem 310 Kohärenzproblem bei einem Cache-Hit 312 Kohärenzproblem bei Copy-back-Verfahren 312 Lösung des Kohärenzproblems 313 Strukturen von Cachespeichern 315 Der voll-assoziative Cachespeicher 316 Direkt zuordnender Cache (Direct-mapped Cache) 319 Mehrwege-Satz-assoziativer Cache (n-way Set-associative Cache) 322 Das MESI-Protokoll 325 Cachespeicher-Hierarchie 331 Kapitel 8 Virtuelle Speicherverwaltung 337 Die Idee des virtuellen Speichers 337 Das Problem der Speicherzuweisung 339 Die Memory Management Unit (MMU) 343 Zusammenfassung: Das Prinzip der virtuellen Speicherverwaltung 344 Segmentverwaltung 346 Das Seitenverfahren 356 Die zweistufige Adressumsetzung 365 Virtuelle und reale Cache-Adressierung 368 Virtuelle Cache-Adressierung 368 Reale Cache-Adressierung 370 Teil IV: Vom Nutzen der Parallelverarbeitung 373 Kapitel 9 Die Idee der Parallelisierung 375 Der Einfluss der Parallelisierung auf die Rechnerarchitektur 376 Charakteristika für eine Parallelisierung auf Hardwareebene 377 Mikroskopische oder makroskopische Parallelität 378 Symmetrische oder asymmetrische Strukturen 379 Feinkörnige oder grobkörnige Parallelität 380 Implizite oder explizite Parallelität 381 Typen paralleler Architekturen – die Taxonomie von Flynn 381 Single Instruction Single Data (SISD) 383 Single Instruction Multiple Data (SIMD) 383 Multiple Instruction Single Data (MISD) 384 Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) 384 Performance von Multiprozessorsystemen und von Multicore-Prozessoren 386 Die Harvard-Architektur 389 CISC-Rechner und deren Probleme 389 Die Idee der RISC-Maschinen 390 Die Architektur eines RISC-Prozessors 391 Erweiterung der ALU um einen Bypass 395 Zusammenfassung 397 Synchronisation von Prozessen 398 Sequenzielle und parallele Prozesse 398 Gegenseitiger Ausschluss von Prozessen 400 Binäre Semaphore zur Synchronisation 402 Der Test-and-Set- Befehl für Semaphorvariablen 404 Kapitel 10 Fließbandverarbeitung 409 Die DLX-Pipeline 412 Leistungssteigerung durch Pipelining 415 Hardwarestruktur einer k-stufigen Pipeline 419 Pipeline-Hemmnisse 422 Datenabhängigkeiten 423 Lösung der Datenkonflikte 429 Strukturkonflikte 433 Lösungen von Strukturkonflikten 434 Steuerflusskonflikte 435 Kapitel 11 Parallele Pipelines und Superskalarität 441 Parallelisierung der Programmabwicklung 441 Pipelines mit mehreren Ausführungseinheiten 442 VLIW-Prozessoren 446 Superskalare Prozessoren 449 Prinzipielle Architektur einer superskalaren Pipeline 450 Sprungzielvorhersage 457 Statische Sprungzielvorhersage 459 Dynamische Sprungzielvorhersage 459 Superskalare Pipeline – eine Verbesserung 464 Core-Architektur 466 Leistungssteigerung durch Multithreading 468 Prozesse 468 Threads 469 Vorteile des Multithreading 470 Simultaneous Multithreading bei superskalaren Pipelines 474 Nachteile der auf Performance optimierten Prozessor-Hardware 475 Kapitel 12 Vom Prozessor zu Rechnersystemen 479 Cluster 480 Supercomputer 481 Grid Computing 482 Virtuelle Maschinen 484 Cloud Computing 486 Liefermodelle 487 Dienstleistungsmodelle 488 Kapitel 13 Die zukünftige Entwicklung 491 Taktfrequenzen und Miniaturisierung 491 Ein neuer Hoffnungsträger – Graphen 493 Nanotubes als Speichertechnologie 493 Optische Prozessoren 494 Architektur und Mikroarchitektur 495 Processing-in-Memory 496 Neuromorphe Hardware 497 Memristor 499 Quantencomputer 500 Qubits und Quantengatter 500 Superposition und Quantenparallelismus 501 Quantenverschränkung 503 Einsatzgebiete für Quantencomputer 505 Ein kurzes Resümee 506 Teil V: Der Top-Ten-Teil 507 Kapitel 14 Zehn Kernthemen zur Rechnerarchitektur 509 Höchstintegration für Rechnerchips 509 Die von Neumann-Architektur 510 Die Harvard-Architektur und die RISC-Maschinen 511 Die Instruction Set Architecture (ISA) 511 Die Speicherhierarchie 512 Cachespeicher 513 Virtueller Speicher 514 Fließbandverarbeitung 514 Superskalare Prozessoren 516 Quantencomputer 516 Kapitel 15 Mögliche Trugschlüsse 519 Assemblerprogrammierung ist immer schneller 519 Die übertragenen Daten pro Zeiteinheit 520 Lange Pipelines ergeben eine bessere Performance 520 Höhere Cache-Kapazität ergibt bessere Performance 521 Von Neumann-Architektur als Auslaufmodell 522 Multi-Prozessorsysteme sind stets performanter als Mono-Prozessorsysteme 522 Amdahls Gesetz bei parallelen Rechnern 523 Flash-Speicher statt Hauptspeicher 523 Multicore-Prozessoren in der Taxonomie von Flynn 524 Hoher Parallelitätsgrad bei Anwendungssoftware 524 Kapitel 16 Zehn Selbsttests zum Fachgebiet 527 Selbsttest zu Kapitel 1 527 Selbsttest zu Kapitel 2 und 3 528 Selbsttest zu Kapitel 4 529 Selbsttest zu Kapitel 4 und 5 529 Selbsttest zu Kapitel 3 und 6 530 Selbsttest zu Kapitel 9 und 10 531 Selbsttest zu Kapitel 10 und 11 531 Selbsttest zu Kapitel 7 und 11 532 Selbsttest zu Kapitel 8 533 Selbsttest zu Kapitel 13 533 Lösungen zu den Selbsttests 534 Wichtige Literatur 535 Abbildungsverzeichnis 537 Stichwortverzeichnis 545

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Book SynopsisDigitaltechnik kann ganz schön kompliziert sein, dafür, dass sie sich hauptsächlich mit den Zahlen 0 und 1 beschäftigt. Aber Hilfe naht: Bernd Büchau erklärt Ihnen von der Pike auf, worum es geht. Er erläutert, was analoge und digitale Signale sind, wie Sie mit numerischen und alphanumerischen Codes arbeiten, was es mit Schaltalgebra auf sich hat und vieles mehr. Danach beschäftigt er sich mit Schaltkreisen, Schaltnetzen und Schaltwerken sowie der Speicherung binärer Informationen. So hilft Ihnen das Buch bei Ihren ersten Schritten in die Digitaltechnik.

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Book SynopsisWollen Sie auch die umfangreichen Möglichkeiten von R nutzen, um Ihre Daten zu analysieren, sind sich aber nicht sicher, ob Sie mit der Programmiersprache wirklich zurechtkommen? Keine Sorge - dieses Buch zeigt Ihnen, wie es geht - selbst wenn Sie keine Vorkenntnisse in der Programmierung oder Statistik haben. Andrie de Vries und Joris Meys zeigen Ihnen Schritt für Schritt und anhand zahlreicher Beispiele, was Sie alles mit R machen können und vor allem wie Sie es machen können. Von den Grundlagen und den ersten Skripten bis hin zu komplexen statistischen Analysen und der Erstellung aussagekräftiger Grafiken. Auch fortgeschrittenere Nutzer finden in diesem Buch viele Tipps und Tricks, die Ihnen die Datenauswertung erleichtern.Table of ContentsÜber die Autoren 7 Einleitung 21 Teil I: Sind Sie beReit? 29 Kapitel 1: R im Überblick 31 Kapitel 2: R erkunden 37 Kapitel 3: Die Grundlagen von R 53 Teil II: Arbeiten mit R 67 Kapitel 4: Erste Schritte mit Arithmetik 69 Kapitel 5: Erste Schritte im Lesen und Schreiben 95 Kapitel 6: Ihr erstes Date mit R 119 Kapitel 7: Arbeiten in höheren Dimensionen 129 Teil III: Programmieren in R 163 Kapitel 8: Mehr Fun mit Funktionen 165 Kapitel 9: Die Ablauflogik kontrollieren 185 Kapitel 10: Fehlersuche 205 Kapitel 11: Hilfe erhalten 221 Teil IV: Daten zum Reden bringen 231 Kapitel 12: Daten lesen und schreiben 233 Kapitel 13: Mit Daten arbeiten 249 Kapitel 14: Daten verdichten 283 Kapitel 15: Differenzen und Relationen untersuchen 307 Teil V: Mit Grafiken arbeiten 333 Kapitel 16: Mit den Basisfunktionen für Grafik arbeiten 335 Kapitel 17: Rastergrafiken mit »lattice«351 Kapitel 18: Grammatik für Grafik: »ggplot2« 369 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 385 Kapitel 19: Zehnmal R statt Excel 387 Kapitel 20: Zehn Tipps zum Arbeiten mit Packages 397 Anhang A: R und RStudio installieren 403 Anhang B: Das »rfordummies«-Paket 409 Stichwortverzeichnis 413

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Book SynopsisDas neue Microsoft 365 bietet die Chance für eine völlig neue Art der digitalen Zusammenarbeit. Flexibel und mobil. Neugierig geworden? Dann greifen Sie zu diesem Buch! Es legt die Grundlagen und erklärt Zusammenhänge und Hintergründe: Betreten Sie durch Microsoft Teams eine neue Welt und kommunizieren Sie punktgenau. Finden Sie heraus, wie Sie auf SharePoint und OneDrive Dateien organisieren und wie Sie mit Outlook, To Do und Planner Aufgaben überwachen. Da ganze Anwendungsszenarien - wie zum Beispiel das Onboarding von neuen Mitarbeitern - beschrieben werden, bekommen Sie eine gute Vorstellung davon, wie die einzelnen Komponenten ineinandergreifen.Table of ContentsÜber die Autoren 9 Einführung 23 Teil I: Grundlagen zu Microsoft 365 27 Kapitel 1: Arbeiten in der Cloud 29 Kapitel 2: Das Wolkenkuckucksheim – wie hängt alles zusammen? 37 Kapitel 3: Desktop – Tablet – Smartphone 55 Kapitel 4: Neue Suchroutinen 71 Kapitel 5: Sich in MS 365 und MS Teams einrichten 111 Teil II: Arbeitssituationen aus der Praxis 139 Kapitel 6: Besprechungen organisieren und moderieren 141 Kapitel 7: Zusammenarbeit in Projekten – Beispiel: Cafeteria- Renovierung 167 Kapitel 8: Ein Event vorbereiten – Beispiel: Stadtlauf 189 Kapitel 9: Einen Prozess optimieren – Beispiel: Onboarding 205 Kapitel 10: Schichten und Genehmigungen: Messeauftritt organisieren 231 Teil III: Desktop versus Web For Screen Viewing in Bpa Only 255 Kapitel 11: Office ist nicht gleich Office 257 Kapitel 12: Word: Gemeinsam besser(e) Texte schreiben 277 Kapitel 13: Excel – in der Zusammenarbeit 287 Kapitel 14: Lebendig präsentiert: PowerPoint 299 Kapitel 15: Outlook: Interessante Entwicklungen im Web 313 Kapitel 16: Ratzfatz notiert und viel mehr: OneNote 337 Teil IV: Der Top-Ten-Teil 357 Kapitel 17: Die zehn cleversten Ideen für die Arbeit mit Microsoft 365 359 Kapitel 18: Zehn nervige Ungereimtheiten 365 Kapitel 19: Zehn Fehler, die es zu vermeiden gilt 369 Kapitel 20: Zehn Stellen, wo Sie Hilfe bekommen 373 Kapitel 21: Zehn Lifehacks 379 Abbildungsverzeichnis 385 Stichwortverzeichnis 393

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Book SynopsisTragfähige Literatur für Ihre Softwarearchitekturen Besuchen Sie eine Veranstaltung zu Softwarearchitektur oder stehen Sie in einem Projekt vor Architekturentscheidungen und wollen daher die aktuellen Architekturansätze verstehen? Dann hilft Ihnen dieses Buch. Holger Gast erläutert zunächst die grundlegenden Elemente von Architekturen und führt die technischen Hintergründe aus. Er erklärt Ihnen danach die klassischen Stile und Patterns und geht schließlich auf Cloud-Architekturen ein. Durchgängig legt er den Fokus auf konkrete Softwarestrukturen statt auf Theorie und ermöglicht Ihnen so einen verständlichen und zügigen Einstieg in das Thema. Sie erfahren Wie Sie Entscheidungen zum Aufbau einer Anwendung treffen Wann bestimmte Architekturen oder Frameworks für Ihr Projekt geeignet sind Welche Herausforderungen Sie bei der Erstellung oder Weiterentwicklung einer Anwendung lösen müssen Table of ContentsEinleitung 23 Teil I: Überblick 29 Kapitel 1: Wie wir Software-Systeme bauen 31 Kapitel 2: Das Mindset des Architekten 41 Teil II: Elemente von Architekturen 53 Kapitel 3: Das hab ich extra vergessen – Abstraktion 55 Kapitel 4: Wenn Rechner gesprächig werden – Netzwerke 65 Kapitel 5: Zu viel zu tun für einen allein – Nebenläufigkeit 89 Kapitel 6: Vom Notizblock bis zum Aktenschrank – Datenhaltung 113 Teil III: Klassische Patterns und Stile 145 Kapitel 7: Wer macht was – Grundlegende Modularisierungsansätze 147 Kapitel 8: Ich hätt’ noch eine kleine Bitte – Erweiterbarkeit 171 Kapitel 9: Rechnen auf dem Schreibtisch – Aufbau lokaler Anwendungen 185 Kapitel 10: Steckdosen und Verbindungen – Netzwerkanwendungen 207 Kapitel 11: Alle Hände voll zu tun – wenn viele Dinge gleichzeitig passieren 225 Kapitel 12: Der neue Ölboom – Analysen auf Daten 241 Teil IV: Architekturen für die Cloud 259 Kapitel 13: Das erledige ich schnell für Sie – Services 261 Kapitel 14: Hab ich dir doch gesagt – Messages 299 Kapitel 15: Zusammenwachsen – Enterprise-Integration-Patterns 323 Kapitel 16: Auf den Punkt fit – Reactivity 341 Kapitel 17: Das weiß ich schon längst – Verteilte Datenhaltung 373 Teil V: Top-Ten 405 Kapitel 18: Zehn Meilensteine des Software-Engineerings 407 Kapitel 19: Zehn einflussreiche Ideen 415 Kapitel 20: Zehn Hypes 425 Literaturverzeichnis 435 Abbildungsverzeichnis 441 Stichwortverzeichnis 445

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Book Synopsis Fangen Sie spannende Motive in der Natur ein – mit Ihrer Kamera Schon mit wenig Ausrüstung können Sie wunderbare Momente festhalten – nicht nur in Einzelbildern, sondern auch im Film. Wie Sie Landschaften und Tiere filmen und fotografieren, lernen Sie in diesem Buch. Svenja und Ralph Schieke zeigen Ihnen Schritt für Schritt von der Planung bis zur Veröffentlichung, wie spannende und interessante Naturfotografien und Naturfilme mit dem gewissen Etwas entstehen. Sie erfahren, wie Sie Motive finden, welche Ausrüstung Sie benötigen, was Sie bei den Aufnahmen beachten müssen und wie Sie Ihre Ergebnisse weiter bearbeiten. Sie erfahren Wie Sie auch mit Ihrem Smartphone gelungene Aufnahmen machen Warum sich die Stadt nicht verstecken muss, wenn es um Naturaufnahmen geht Wie Sie einen Film planen und in der Natur Schritt für Schritt umsetzen Wo Sie Ihre Aufnahmen präsentieren können

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Book SynopsisDas Schöne an Scrum ist, dass das Regelwerk so überschaubar ist. Es schafft nur so viel Struktur, dass Teams sich ganz und gar auf die Lösung der eigentlichen Herausforderung konzentrieren können und keine Zeit mit der Abarbeitung unnötiger und bereits überholter Prozesse verlieren. Das Buch zeigt Ihnen, wie Sie ein Team zusammenstellen und diese beliebte agile Projektmanagementmethode implementieren, um Projekte reibungsloser zu gestalten und zwar vom Anfang bis zum Ende. Wenn Sie möchten auch in Ihrem Privatleben: Scrum wird Ihnen das Leben leichter machen. Warum probieren Sie es nicht einfach aus?Table of ContentsÜber die Autoren 13 Einleitung 27 Teil I: Erste Schritte mit Scrum 31 Kapitel 1: Die Grundlagen von Scrum 33 Teil II: Ein Scrum-Projekt durchführen 51 Kapitel 2: Die ersten Schritte 53 Kapitel 3: Planen Sie Ihr Projekt 71 Kapitel 4: Talent und Timing 91 Kapitel 5: Release- und Sprint-Planung 111 Kapitel 6: Das Beste aus Sprints herausholen 135 Kapitel 7: Überprüfen und anpassen: So korrigieren Sie Ihren Kurs 153 Teil III: Scrum in der gewerblichen Wirtschaft 161 Kapitel 8: Software-Entwicklung 163 Kapitel 9: Produktion materieller Güter 181 Kapitel 10: Dienstleistungssektor 197 Kapitel 11: Medienlandschaft im Umbruch 217 Teil IV: Scrum für betriebliche Funktionen 227 Kapitel 12: IT-Management und Operations 229 Kapitel 13: Portfoliomanagement 247 Kapitel 14: Personal und Finanzen 275 Kapitel 15: Business Development – Geschäftsfeldentwicklung 291 Kapitel 16: Kundendienst 305 Teil V: Scrum im Alltag 315 Kapitel 17: Partnersuche und Familienleben 317 Kapitel 18: Scrum für Lebensziele 335 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 351 Kapitel 19: Zehn Schritte für die Einführung von Scrum 353 Kapitel 20: Zehn Klippen, die Sie umschiffen sollten 363 Kapitel 21: Zehn Hauptvorteile von Scrum 367 Kapitel 22: Zehn wichtige Kennzahlen für Scrum 375 Abbildungsverzeichnis 383 Stichwortverzeichnis 387

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Book SynopsisNeue Hauptversion 4.0: Neuer Lehrplan, geänderter Prüfungsumfang! Soll in Ihrem Unternehmen neue Software eingeführt werden und Sie müssen sie testen? Oder wollen Sie als Entwickler über den Tellerrand schauen und sich auch mit dem Softwaretesten beschäftigen? Leicht verständlich erläutert Ihnen Maud Schlich alle vom ISTQB Certified Tester Foundation Level geforderten Lerninhalte sowohl für Programmierer als auch mit Blick auf Fachanwender, die die Software später einsetzen. Zahlreiche praxisorientierte Beispiele und übungen sorgen für eine optimale Prüfungsvorbereitung. Darüber hinaus erfahren Sie für alle Testaktivitäten, wie sie jeweils im klassischen oder im agilen Kontext geplant und durchgeführt werden. Sie erfahren Aus welchen Aktivitäten der Testprozess bestehtWie Sie unterschiedliche Testverfahren nutzenWie Entwickler und Tester optimal zusammenarbeitenWie Sie prüfen, ob Sie noch im Plan sind

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