Der elektrische Schwingkreis: Unterschied zwischen den Versionen
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| − | + | a) Der Anlasskondensator eines Autos wird mit 15V geladen und über verschiedene Widerstände entladen. Dabei wird die Spannung am Kondensator und die Stärke des Entladungsstroms gemessen. | |
| − | + | b) Der Kondensator wird über eine Spule entladen. | |
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| − | + | c) Es werden vier Kondensatoren parallel geschaltet und der Versuch mit der Spule wiederholt. | |
| − | + | d) Es wird eine Spule mit geringerer Induktivität verwendet. | |
| − | + | ===Beobachtung:=== | |
| − | + | a) Die Spannung nimmt ab, bis der Kondensator vollständig entladen ist. Der Abfall der Spannung hängt direkt mit der Stromstärke zusammen. | |
| − | + | :Die Spannung fällt zunächst schnell ab, dann immer langsamer. Je größer der Widerstand, desto langsamer entlädt sich der Kondensator. | |
| − | + | b) Die Spannung nimmt periodisch negative und positive Werte an. Die Maximalwerte gehen schließlich auf Null zurück. | |
| + | :Die Stromstärke ist dann besonders groß, wenn die Spannung gerade Null ist. | ||
| + | :Die Stromstärke ist positiv, wenn die Spannung sinkt. | ||
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| + | c) Die Schwingung der Spannung hat eine kleinere Frequenz. | ||
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| + | d) Die Schwingung hat eine größere Frequenz. | ||
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| + | b) Die Spannung des Kondensators treibt einen Strom an, der in der Spule ein Magnetfeld aufbaut, bzw. den Eisenkern magnetisiert. Die Spule "bremst" dabei den Vorgang durch Selbstinduktion, sodass der Kondensator nicht schlagartig entleert wird. | ||
Ist der Kondensator entladen, so sinkt die Stromstärke und das Magnetfeld (die Magnetisierung) nimmt ab. Durch die Selbstinduktionsspannung treibt nun die Spule den Strom weiterhin an und lädt den Kondensator mit der entgegengesetzten Polung wieder auf. | Ist der Kondensator entladen, so sinkt die Stromstärke und das Magnetfeld (die Magnetisierung) nimmt ab. Durch die Selbstinduktionsspannung treibt nun die Spule den Strom weiterhin an und lädt den Kondensator mit der entgegengesetzten Polung wieder auf. | ||
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In diesem Applet von Walter Fendt kann man den Vorgang sehr schön verfolgen. | In diesem Applet von Walter Fendt kann man den Vorgang sehr schön verfolgen. | ||
| − | + | c) Durch die Parallelschaltung vergrößert sich die Kapazität auf das Vierfache. Bei der gleichen Spannung wird also die vierfache Ladung gespeichert. Offenbar dauert der Lade- und Entladevorgang nun länger. | |
| − | + | d) Durch die geringere Induktivität sinkt die Wirkung der Selbstinduktion und somit die "Bremswirkung" der Spule. Durch die größere Stromstärke geht der Lade- und Entladevorgang nun schneller. | |
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| − | Vergleich mit mechanischen Schwingungen | + | ==Vergleich mit mechanischen Schwingungen== |
Elektromagnetische und mechanische Schwingungen weisen sehr große Parallelen auf. Sämtliche Erkenntnisse der mechanischen Schwingungen sind bis ins Detail übertragbar! | Elektromagnetische und mechanische Schwingungen weisen sehr große Parallelen auf. Sämtliche Erkenntnisse der mechanischen Schwingungen sind bis ins Detail übertragbar! | ||
| − | + | * [[Mathematische Beschreibung von Schwingungen]] | |
| − | + | * [[Überlagerung von harmonischen Schwingungen]] | |
| − | + | * [[Energie und Impuls einer Schwingung]] | |
| − | + | * [[Gedämpfte Schwingungen]] | |
| − | + | * [[Energiezufuhr bei Schwingungen]] | |
Hier kann man den Schwingungsvorgang vergleichen, dabei ist zu beachten, dass man sich das Federpendel am besten horizontal vorstellt, denn sonst kommt die Lageenergie im Schwerefeld noch hinzu, was die Situation verfälscht. Die Beschriftung ist deswegen schlecht zu lesen. (von LEIFI Physik) | Hier kann man den Schwingungsvorgang vergleichen, dabei ist zu beachten, dass man sich das Federpendel am besten horizontal vorstellt, denn sonst kommt die Lageenergie im Schwerefeld noch hinzu, was die Situation verfälscht. Die Beschriftung ist deswegen schlecht zu lesen. (von LEIFI Physik) | ||
| − | + | [[Datei:Schwingkreis_Analogie_Pendel_Tabelle.jpg]] | |
Diese Tabelle stellt die sich entsprechenden Größen eines Federpendels und des elektromagnetischen Schwingkreises gegenüber. | Diese Tabelle stellt die sich entsprechenden Größen eines Federpendels und des elektromagnetischen Schwingkreises gegenüber. | ||
| − | Federschwingung | + | {| |
| − | + | ||Federschwingung || elektromagnetische Schwingung | |
| − | LaTex: E=\frac{1}{2} \, D y^2 Spannenergie LaTex: E_{sp} LaTex: E_{el} elektrische Energie LaTex: E=\frac{1}{2} \, \frac{1}{C}\,Q^2 \qquad \left[=\frac{1}{2} \, C U^2\right] | + | |- |
| + | |LaTex: E=\frac{1}{2} \, D y^2 Spannenergie LaTex: E_{sp} LaTex: E_{el} elektrische Energie LaTex: E=\frac{1}{2} \, \frac{1}{C}\,Q^2 \qquad \left[=\frac{1}{2} \, C U^2\right] | ||
LaTex: E=\frac{1}{2} \, m v^2 Bewegungsenergie LaTex: E_{kin} LaTex: E_{mag} magnetische Energie LaTex: E=\frac{1}{2} \, L I^2 | LaTex: E=\frac{1}{2} \, m v^2 Bewegungsenergie LaTex: E_{kin} LaTex: E_{mag} magnetische Energie LaTex: E=\frac{1}{2} \, L I^2 | ||
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LaTex: a=\ddot y Beschleunigung LaTex: a LaTex: \dot I Änderung der Stromstärke LaTex: \dot I=\ddot Q | LaTex: a=\ddot y Beschleunigung LaTex: a LaTex: \dot I Änderung der Stromstärke LaTex: \dot I=\ddot Q | ||
| − | Rückstellkraft LaTex: F LaTex: U Spannung am Kondensator | + | Rückstellkraft LaTex: F LaTex: U Spannung am Kondensator |
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| − | Unterteilung von Schwingungen nach Energieaspekten | + | |} |
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| + | ==Unterteilung von Schwingungen nach Energieaspekten== | ||
Wie bei den mechanischen Schwingungen auch, kann man je nach Art der Energieabfuhr und Zufuhr verschiedene Fälle unterscheiden. (Vgl. Energiezufuhr bei Schwingungen) | Wie bei den mechanischen Schwingungen auch, kann man je nach Art der Energieabfuhr und Zufuhr verschiedene Fälle unterscheiden. (Vgl. Energiezufuhr bei Schwingungen) | ||
| − | Gedämpfte oder Ungedämpfte Schwingung | + | ; Gedämpfte oder Ungedämpfte Schwingung |
| − | + | : Durch den Widerstand der Kabel strömt bei einer gedämpften Schwingung Energie aus dem Schwingkreis, die Kabel werden erwärmt. Alle realen Schwingkreise sind gedämpft. | |
| − | Angeregte Schwingung | + | ;Angeregte Schwingung |
| − | + | : Durch die Zufuhr von Energie in der Eigenfrequenz des Systems gleicht man die Dämpfung aus und simuliert eine ungedämpfte Schwingung. Es gibt verschiedene Schaltungen, mit denen man die Energiezufuhr steuern kann. | |
| − | Erzwungene oder freie Schwingung | + | ;Erzwungene oder freie Schwingung |
| − | + | : Bei einer erzwungenen Schwingung gibt man die Frequenz der Schwingung von Außen z.B. durch Anlegen einer Wechselspannung vor. | |
| − | Selbsterregte Schwingung | + | ;Selbsterregte Schwingung |
| − | + | : Die Steuerung der Energiezufuhr geschieht durch das elektromagnetische System selbst. Rechnet man, ähnlich wie bei einer Pendeluhr, die Steuerung eines Schwingkreises noch zu dem System dazu, so genügt in diesem Fall das Anlegen einer konstanten Spannung und das System schwingt. | |
| − | + | ==Links== | |
| − | Links | + | |
| − | + | * [http://www.walter-fendt.de/ph14d/schwingkreis.htm Applet von Walter Fendt] | |
| − | + | * [http://www.leifiphysik.de/web_ph12/grundwissen/04schw_gleich/schw_gl.htm LEIFI: DGL von Schwingungen und Vergleich mit mechanischen Schwingungen] | |
Version vom 17. Januar 2012, 15:34 Uhr
Aufladen mit 10 V
Entladen über Kabel oder Widerstände Was passiert mit der Energie? Wärmeentstehung im Widerstand (Kabel hat auch einen Widerstand)
Entladen über Spule Wieso schwingt das?
Vergleich mit schwingendem Wagen
Feder=Kondensator
Spannenergie= Energie im el. Feld
0.5 D s^2 = 0.5 C U^2
Federhärte = Kapazität
Bewegungsenergie = Energie in der Spule (Magnetfeld und Magnetisierung des Kerns)
0.5 m v^2 = 0.5 L I^2 ???????
Inhaltsverzeichnis
* 1 Versuch: Entladen eines Kondensators über eine Spule
o 1.1 Aufbau:
o 1.2 Beobachtung:
o 1.3 Erklärung
* 2 Vergleich mit mechanischen Schwingungen
* 3 Unterteilung von Schwingungen nach Energieaspekten
* 4 Links
Inhaltsverzeichnis
Versuch: Entladen eines Kondensators über eine Spule
Aufbau:
a) Der Anlasskondensator eines Autos wird mit 15V geladen und über verschiedene Widerstände entladen. Dabei wird die Spannung am Kondensator und die Stärke des Entladungsstroms gemessen.
b) Der Kondensator wird über eine Spule entladen.
c) Es werden vier Kondensatoren parallel geschaltet und der Versuch mit der Spule wiederholt.
d) Es wird eine Spule mit geringerer Induktivität verwendet.
Beobachtung:
a) Die Spannung nimmt ab, bis der Kondensator vollständig entladen ist. Der Abfall der Spannung hängt direkt mit der Stromstärke zusammen.
- Die Spannung fällt zunächst schnell ab, dann immer langsamer. Je größer der Widerstand, desto langsamer entlädt sich der Kondensator.
b) Die Spannung nimmt periodisch negative und positive Werte an. Die Maximalwerte gehen schließlich auf Null zurück.
- Die Stromstärke ist dann besonders groß, wenn die Spannung gerade Null ist.
- Die Stromstärke ist positiv, wenn die Spannung sinkt.
c) Die Schwingung der Spannung hat eine kleinere Frequenz.
d) Die Schwingung hat eine größere Frequenz.
Erklärung
b) Die Spannung des Kondensators treibt einen Strom an, der in der Spule ein Magnetfeld aufbaut, bzw. den Eisenkern magnetisiert. Die Spule "bremst" dabei den Vorgang durch Selbstinduktion, sodass der Kondensator nicht schlagartig entleert wird.
Ist der Kondensator entladen, so sinkt die Stromstärke und das Magnetfeld (die Magnetisierung) nimmt ab. Durch die Selbstinduktionsspannung treibt nun die Spule den Strom weiterhin an und lädt den Kondensator mit der entgegengesetzten Polung wieder auf.
Die Energie des elektrischen Feldes im Kondensator fließt also ständig in das Magnetfeld (die Magnetisierung) und wieder zurück in das elektrische Feld.
In diesem Applet von Walter Fendt kann man den Vorgang sehr schön verfolgen.
c) Durch die Parallelschaltung vergrößert sich die Kapazität auf das Vierfache. Bei der gleichen Spannung wird also die vierfache Ladung gespeichert. Offenbar dauert der Lade- und Entladevorgang nun länger.
d) Durch die geringere Induktivität sinkt die Wirkung der Selbstinduktion und somit die "Bremswirkung" der Spule. Durch die größere Stromstärke geht der Lade- und Entladevorgang nun schneller.
Vergleich mit mechanischen Schwingungen
Elektromagnetische und mechanische Schwingungen weisen sehr große Parallelen auf. Sämtliche Erkenntnisse der mechanischen Schwingungen sind bis ins Detail übertragbar!
- Mathematische Beschreibung von Schwingungen
- Überlagerung von harmonischen Schwingungen
- Energie und Impuls einer Schwingung
- Gedämpfte Schwingungen
- Energiezufuhr bei Schwingungen
Hier kann man den Schwingungsvorgang vergleichen, dabei ist zu beachten, dass man sich das Federpendel am besten horizontal vorstellt, denn sonst kommt die Lageenergie im Schwerefeld noch hinzu, was die Situation verfälscht. Die Beschriftung ist deswegen schlecht zu lesen. (von LEIFI Physik)
Diese Tabelle stellt die sich entsprechenden Größen eines Federpendels und des elektromagnetischen Schwingkreises gegenüber.
| Federschwingung | elektromagnetische Schwingung |
| LaTex: E=\frac{1}{2} \, D y^2 Spannenergie LaTex: E_{sp} LaTex: E_{el} elektrische Energie LaTex: E=\frac{1}{2} \, \frac{1}{C}\,Q^2 \qquad \left[=\frac{1}{2} \, C U^2\right]
LaTex: E=\frac{1}{2} \, m v^2 Bewegungsenergie LaTex: E_{kin} LaTex: E_{mag} magnetische Energie LaTex: E=\frac{1}{2} \, L I^2 Auslenkung LaTex: y LaTex: Q verschobene Ladung im Kondensator LaTex: v=\dot y Geschwindigkeit LaTex: v LaTex: I Stromstärke LaTex: I=\dot Q LaTex: F=D\,y Federstärke LaTex: D LaTex: \frac{1}{C} Kehrwert der Kapazität LaTex: U=\frac{1}{C}\,Q LaTex: F=m\, a träge Masse LaTex: m LaTex: L Induktivität der Spule LaTex: U=L\, \dot I LaTex: a=\ddot y Beschleunigung LaTex: a LaTex: \dot I Änderung der Stromstärke LaTex: \dot I=\ddot Q Rückstellkraft LaTex: F LaTex: U Spannung am Kondensator |
Unterteilung von Schwingungen nach Energieaspekten
Wie bei den mechanischen Schwingungen auch, kann man je nach Art der Energieabfuhr und Zufuhr verschiedene Fälle unterscheiden. (Vgl. Energiezufuhr bei Schwingungen)
- Gedämpfte oder Ungedämpfte Schwingung
- Durch den Widerstand der Kabel strömt bei einer gedämpften Schwingung Energie aus dem Schwingkreis, die Kabel werden erwärmt. Alle realen Schwingkreise sind gedämpft.
- Angeregte Schwingung
- Durch die Zufuhr von Energie in der Eigenfrequenz des Systems gleicht man die Dämpfung aus und simuliert eine ungedämpfte Schwingung. Es gibt verschiedene Schaltungen, mit denen man die Energiezufuhr steuern kann.
- Erzwungene oder freie Schwingung
- Bei einer erzwungenen Schwingung gibt man die Frequenz der Schwingung von Außen z.B. durch Anlegen einer Wechselspannung vor.
- Selbsterregte Schwingung
- Die Steuerung der Energiezufuhr geschieht durch das elektromagnetische System selbst. Rechnet man, ähnlich wie bei einer Pendeluhr, die Steuerung eines Schwingkreises noch zu dem System dazu, so genügt in diesem Fall das Anlegen einer konstanten Spannung und das System schwingt.
