Gedämpfte Schwingungen im LC-Schwingkreis
Lehrpläne: APC, Sek II
Ziel¶
Beobachten Sie freie gedämpfte Schwingungen in einem LC-Schwingkreis und messen Sie ihre Periodendauer.
Aufbau¶
Eine 6-V-Quelle lädt über einen 10-kΩ-Widerstand einen 10-µF-Kondensator. Der Schalter (offen) verbindet eine 1-H-Spule mit einem Wicklungswiderstand von 10 Ω mit dem Kondensator. Oszilloskop am Kondensator: CH1, 2 V/div, 20 ms/div.
Durchführung¶
- Stellen Sie die Geschwindigkeit der Simulationsuhr in der Symbolleiste auf ×0.1.
- Schließen Sie den Schalter und beobachten Sie die Kurve.
- Halten Sie das Bild mit der Taste START/STOPP an, messen Sie die Dauer von fünf Perioden und teilen Sie sie durch 5.
- Öffnen Sie den Schalter, damit sich der Kondensator wieder auflädt, und wiederholen Sie den Versuch mit einem 40-µF-Kondensator.
Erwartetes Ergebnis
Nach dem Schließen des Schalters schwingt die Spannung am Kondensator sinusförmig und klingt ab. Die Periodendauer beträgt etwa 20 ms – ein Kästchen, fünf Perioden sind also fünf Kästchen; die Frequenz beträgt etwa 50 Hz: \(T = 2\pi\sqrt{LC}\). Die Dämpfung wird durch den Wicklungswiderstand und den Ladewiderstand bestimmt. Mit 40 µF verdoppelt sich die Periodendauer – auf etwa 40 ms.
Fragen¶
- Welche Energieumwandlungen finden während einer Periode statt?
- Warum klingen die Schwingungen ab?
Antworten
- Zweimal in jeder Periode geht die Energie vom elektrischen Feld des Kondensators, \(C \cdot U^2 / 2\), in das Magnetfeld der Spule, \(L \cdot I^2 / 2\), über und wieder zurück. Wenn die Kondensatorspannung ihr Maximum hat, ist der Strom null, und wenn die Spannung durch null geht, ist der Strom maximal; zu Beginn speichert der Kondensator etwa 10 µF · (6 V)² / 2 = 0,18 mJ.
- In jeder Periode wird ein Teil der Energie in den Widerständen des Kreises in Wärme umgewandelt: in der 10-Ω-Wicklung, durch die der gesamte Schwingstrom fließt, und im 10-kΩ-Ladewiderstand, der über die Quelle parallel zum Kondensator angeschlossen bleibt. Die Energie, die für die Schwingungen übrig bleibt, nimmt ab, und mit ihr die Amplitude.