Der elektrische Schwingkreis: Unterschied zwischen den Versionen

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(Vergleich mit mechanischen Schwingungen)
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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
 
 
 
 
==Versuch: Entladen eines Kondensators über eine Spule==
 
==Versuch: Entladen eines Kondensators über eine Spule==
 
===Aufbau:===
 
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===Erklärung===
 
===Erklärung===
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a) Je größer die antreibende Spannung und je kleiner der Widerstand, desto größer ist auch der Strom. Nach dem Ohmschen Gesetz gilt: <math>I=\frac{1}{R}\, U</math>.
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:Die Energie des geladenen Kondensators wird benötigt, um den Widerstand zu erwärmen. Dabei ensteht Entropie.
  
 
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.
 
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.
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Die Energie des elektrischen Feldes im Kondensator fließt also ständig in das Magnetfeld (die Magnetisierung) und wieder zurück in das elektrische Feld.
 
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.
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In diesem [http://www.walter-fendt.de/ph14d/schwingkreis.htm 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.
 
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.
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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]]
+
* [[Energiezufuhr bei Schwingungen]]
 +
* [[Untersuchung einer harmonischen Federschwingung]]
 +
* [[Beschreibung einer harmonischen Schwingung mit der Zeigerdarstellung]]
 +
* [[Die Bewegungsgesetze einer harmonischen Schwingung]]
 +
* [[Beschreibung einer harmonischen Schwingung mit einer Differentialgleichung]]
 +
*[[Untersuchung von Schwingungen mit der Differentialgleichung]]
 
* [[Überlagerung von harmonischen Schwingungen]]
 
* [[Überlagerung von harmonischen Schwingungen]]
* [[Energie und Impuls einer Schwingung]]
 
 
* [[Gedämpfte Schwingungen]]
 
* [[Gedämpfte Schwingungen]]
 
* [[Energiezufuhr bei Schwingungen]]
 
* [[Energiezufuhr bei Schwingungen]]

Version vom 17. Januar 2012, 17:16 Uhr

Versuch: Entladen eines Kondensators über eine Spule

Aufbau:

Ein elektrischer Schwingkreis
falscher Aufbau, denn der Kondensator ist polarisiert!

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

a) Je größer die antreibende Spannung und je kleiner der Widerstand, desto größer ist auch der Strom. Nach dem Ohmschen Gesetz gilt: [math]I=\frac{1}{R}\, U[/math].

Die Energie des geladenen Kondensators wird benötigt, um den Widerstand zu erwärmen. Dabei ensteht Entropie.

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!

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)

Schwingkreis Analogie Pendel Tabelle.jpg


Diese Tabelle stellt die sich entsprechenden Größen eines Federpendels und des elektromagnetischen Schwingkreises gegenüber. Es gibt verschiedene Möglichkeiten sich entsprechende Größen zu finden. Hier entspricht die Auslenkung des Pendels der Ladung des Kondensators.

Federschwingung elektromagnetische Schwingung
Auslenkung [math]y[/math] [math]Q[/math] verschobene Ladung im Kondensator
[math]v=\dot y[/math] Geschwindigkeit [math] v[/math] [math]I[/math] Stromstärke [math] I=\dot Q[/math]
[math]a=\ddot y[/math] Beschleunigung [math]a[/math] [math]\dot I[/math] Änderung der Stromstärke [math]\dot I=\ddot Q[/math]
Rückstellkraft [math]F[/math] [math]U[/math] Spannung am Kondensator
[math]F=D\,y[/math] Federstärke [math]D[/math] [math]\frac{1}{C}[/math] Kehrwert der Kapazität [math]U=\frac{1}{C}\,Q[/math]
[math]F=m\, a[/math] träge Masse [math] m[/math] [math] L[/math] Induktivität der Spule [math]U=L\, \dot I[/math]
[math]E=\frac{1}{2} \, D y^2[/math] Spannenergie [math]E_{sp}[/math] [math]E_{el}[/math] elektrische Energie [math]E=\frac{1}{2} \, \frac{1}{C}\,Q^2 \qquad \left[=\frac{1}{2} \, C U^2\right][/math]
[math]E=\frac{1}{2} \, m v^2[/math] Bewegungsenergie [math] E_{kin}[/math] [math]E_{mag}[/math] magnetische Energie [math]E=\frac{1}{2} \, L I^2[/math]

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.


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