Der elektrische Schwingkreis - Lösungen der Aufgaben.

1a. )

Die Frequenz des Schwingkreises beträgt etwa 419 Hz (Anzeige oben im Diagramm)

Dies entspricht einer Periodendauer von T = 1/f = 0,00238 s = 2,38 ms.

Dies erkennt man auch im Diagramm besonders deutlich, wenn man z.B. bei 2,5 ms den Schalter umschaltet und die Rasterlinien einblendet.

1b.)

Die Herleitung der Gleichung für die Periodendauer und Frequenz eines elektrischen Schwingkreises findet man hier.

Für doppelte Frequenz muss die Kapazität gerade 1/4 des ursprünglichen Werts, also 1 Mikrofarad betragen.

Für halbe Frequenz muss man entsprechend den Wert vervierfachen (16 Mikrofarad).

1c.)

Entsprechendes gilt auch für die Eigeninduktivität. Um doppelte Frequenz zu erhalten muss die Eigeninduktivität L nun 1/4 des ursprünglichen Wertes betragen (9 mH).

1d.)

Wird der ohmsche Widerstand des Spulendrahtes vergrößert (sehr dünner Draht bei gleicher Windungszahl), so klingen die Schwingungen schneller ab.
Im Schwingkreis wird der Kondensator ja ständig geladen und entladen und es findet eine ständige Energieumwandlung von elektrischer Feldenergie (Kondensator) in Energie des Magnetfeldes (Spule) statt.
Ein Teil der umgewandelten Energie wird im Spulenwiderstand in Wärme umgewandelt und geht daher dem Schwingkreis verloren.

1e.)

Vor dem Umschalten des Schalters ist sowohl der Kondensator geladen (W = 1/2*C*U2) als auch die Spule stromdurchflossen (W = 1/2*L*I2).

Wartet man lange genug mit dem Umschalten, dann ist I = Uq/Rsp.

Es steckt zunächst Energie im E-Feld (Kondensator) und im B-Feld (Spule). Daher ist die in den Schwingkreis zu Beginn gesteckte Gesamtenergie größer, also wenn nur der Kondensator geladen, die Spule aber stromlos ist.

2a.)

Ver dem Schließen des Schalters ist die Spule stromlos. Wird der Schalter geschlossen, so entlädt sich der Kondensator über die Spule, die Stromstärke steigt an.

2b.)

Zunächst ist der Schalter geöffnet und die Stromstärke ist null. Wird der Schalter geschlossen, baut sich in der Spule ein Magnetfeld auf. Die entstehende Selbstinduktionsspannung wirkt der äußeren Spannungsquelle entgegen (Lenz'sche Regel) und bewirkt, dass die Stromstärke nur langsam auf ihren Endwert (ca. 800 mA bei 10V und 12 Ohm) ansteigt.

Parallel dazu lädt sich auch der Kondensator auf, was aber zunächst keinen Einfluss auf den Spulenstrom hat.

Wird der Schalter geöffnet, beginnt der Schwingkreis mit seinen Schwingungen. Der Verlauf der Stromstärke muss dabei stetig sein.

3a.)

Ist die Spannung am Kondensator 0 Volt, ist die Stromstärke maximal. In diesem Augenblick steckt die ganze Energie des Schwingkreises im Feld der Spule.

Ist die Spannung am Kondensator maximal, so steckt die ganze Energie im E-Feld des Kondensators und keine Energie in der Spule. Sie ist dann stromlos.

Es findet eine ständige Umwandlung der Energie des E-Feldes (Kondensator) in die Energie des B-Feldes (Spule) und zurück statt.
Ist die Spule widerstandsfrei (ideal) so geht keine Energie "verloren" . Die Schwingungen behalten konstante Amplituden von Spannung und Stromstärke und gehen unendlich lange weiter.
In der Praxis ist ein Widerstand und ein Verlust an Energie für das Schwingungssystem allerdings unvermeidlich. Die Schwingungen klingen (exponentiell) ab. Man nennt dies eine "gedämpfte Schwingung".