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Schwingkreis 03:44 min

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Transkript Schwingkreis

Heute gehören die von Heinrich Hertz entdeckten elektromagnetischen Wellen längst zum Alltag. Kaum eine der modernen Unterhaltungs- und Kommunikationstechnologien kommt ohne sie aus. Funken fliegen bei den modernen Sendeanlagen von Radio oder Mobilfunk heute keine mehr, aber ihr Grundprinzip ähnelt dem Experiment von Heinrich Hertz. Auch sie nutzen elektromagnetische Wellen. Diese entstehen aus elektromagnetischen Schwingungen. Solche kann man mit einem Kondensator und einer Spule erzeugen, die zusammen einen Stromkreis bilden. So eine Schaltung nennt man Schwingkreis. Zunächst wird der Kondensator geladen. Legt man nun den Schalter um, so entlädt sich der Kondensator über die Spule. Durch den Stromfluss entsteht um die Spule ein magnetisches Feld. Dadurch werden wiederum in der Spule eine Spannung und ein Strom induziert. Der Strom aus der Spule fließt nun zum Kondensator und lädt diesen wieder auf, allerdings mit entgegengesetzter Polarität. Dieser Ablauf wiederholt sich immer wieder. Abwechselnd entstehen ein magnetisches Feld an der Spule und ein elektrisches Feld am Kondensator. Damit sich die elektromagnetischen Schwingungen nun im Raum ausbreiten können, trennt man die Platten des Kondensators voneinander und verkleinert sie. Und die Windungen der Spule zieht man auseinander. Es bleibt ein gerader Stab, ein offener Schwingkreis. Dieser wird auch Hertzscher Dipol oder Antenne genannt. Wie aber entstehen nun die elektromagnetischen Wellen? In der Antenne schwingen zwischen den Dipolenden Ladungen hin und her. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld. Dieses ist besonders stark, wenn sich die Ladungen an den Dipolenden befinden. Die Spannung ist dann maximal, die Stromstärke null. In der Dipolmitte ist die Spannung null und die Stromstärke maximal. Die elektrischen Felder lösen sich vom Dipol ab. Gleichzeitig entstehen magnetische Felder, die sich vom Dipol in konzentrischen Kreisen entfernen. Da sich in einem Dipol die Polarität ständig ändert, wechseln auch die Richtungen der elektrischen und der magnetischen Feldlinien. Es entstehen elektromagnetische Wellen, die sich von der Antenne ausbreiten. Die Frequenz dieser Wellen wird durch die Wechselfrequenz der Spannungsquelle bestimmt, an die die Antenne angeschlossen ist. Betrachtet man die Ausbreitung der Wellen im Raum, sieht man, dass das magnetische und das elektrische Feld immer senkrecht aufeinander stehen.

Schwingkreis Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schwingkreis kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne den Entdecker der elektromagnetischen Wellen.

    Tipps

    Die elektromagnetischen Wellen wurden zuerst von einem deutschen Physiker nachgewiesen.

    Nach diesem sind sowohl ein Teil der elektromagnetischen Wellen benannt als auch die Einheit der Frequenz einer Welle.

    Radiowellen gehören zu den Hertz'schen Wellen. Sind Radiowellen elektromagnetische Wellen?

    Lösung

    Die elektromagnetischen Wellen wurden experimentell zuerst von einem deutschen Physiker entdeckt.

    Davor schufen bereits Michael Faraday und James Clerk Maxwell die theoretischen Grundlagen für die Existenz elektromagnetischer Wellen. Ihnen fehlten jedoch die experimentellen Nachweise.

    Diese konnte schließlich Heinrich Hertz finden. Er machte diese Beobachtung bei Experimenten zum Funkenflug bei elektrischen Entladungen. Dabei entwickelte er schon die erste Antenne, die ein offener Schwingkreis ist. Sie wird deswegen auch Hertz'scher Dipol genannt.
    Auch ein Teil der elektromagnetischen Strahlen wurden nach ihm benannt: Die Hertz'schen Wellen. Dazu gehören die Mikrowellen und auch die Radiowellen.

    Somit hat Hertz ganz entscheidend zur Entwicklung des heute möglichen Funkverkehrs beigetragen.

  • Nenne die Vorrichtung, mit der elektromagnetische Wellen erzeugt werden.

    Tipps

    Zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen werden ein elektrisches und ein magnetisches Feld benötigt, die sich überlagern. Welche technischen Möglichkeiten gibt es, um elektrische oder magnetische Felder zu erzeugen?

    Mit einer Spule kann ein magnetisches und mit einem Kondensator ein elektrisches Feld erzeugt werden. Reicht dann eines von beiden Bauteilen aus?

    Wenn ein geladenes Pendel in den Stromkreis einer solchen Vorrichtung zwischen die Kondensatorplatten eingebaut werden würde, würde dieses immer hin- und herschwingen. Hier werden elektromagnetische Schwingungen erzeugt. Wie könnte der Aufbau dann genannt werden und was muss noch verändert werden, um Wellen zu erhalten?

    Lösung

    Um elektromagnetische Wellen zu erzeugen, werden ein elektrisches und ein magnetisches Feld benötigt. Diese müssen sich überlagern.

    Es wird dazu ein Schaltkreis aus einer Spule und einem Kondensator genutzt. Dabei entladen und laden sich die Spule und der Kondensator immer abwechselnd gegenseitig.
    Dies führt dazu, dass die Stromrichtung ständig wechselt. Der Strom und auch die schwingt sozusagen hin und her.

    Deswegen wird diese Vorrichtung Schwingkreis genannt. Es werden hier elektromagnetische Schwingungen erzeugt.

    Dieses schwingen kann sogar sichtbar gemacht werden: Wird zwischen die Kondensatorplatten ein geladenes Teilchen an einem Pendel eingebracht, dann schwingt es hin und her.
    Das liegt an der wechselnden Polung des Kondensators und der damit zusammenhängenden Anziehung oder Abstoßung des Teilchens.

    Elektromagnetische Wellen breiten sich zudem im Raum aus. Deswegen muss der Schwingkreis geöffnet werden, er heißt dann offener Schwingkreis.
    Ein Beispiel dafür ist eine Antenne, auch Hertz'scher Dipol genannt.

  • Beschreibe den Aufbau eines Schwingkreis.

    Tipps

    Zur Erzeugung von elektromagnetischen Schwingungen werden ein elektrisches und ein magnetisches Feld benötigt. Welche Bauteile werden dann in einem Schwingkreis gebraucht?

    In einem Schwingkreis werden eine Induktivität und eine Kapazität in Reihe geschaltet.

    Kondensator und Spule laden sich in einem Schwingkreis immer wieder abwechselnd durch ihre Entladung. Wird der Kondensator entladen, dann lädt die Spule. Ist dann eine dauerhaft angeschlossene Spannungsquelle sinnvoll?

    Lösung

    Mithilfe eines Schwingkreises können elektromagnetische Schwingungen erzeugt werden.

    Eine elektromagnetische Schwingung besteht aus zwei sich überlagernden Feldern. Das sind ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld.
    Das elektrische Feld kann mithilfe eines Kondensators erzeugt werden.
    Das magnetische Feld kann mithilfe einer Spule erzeugt werden.

    Dies sind die zwei Bauteile, die für einen Schwingkreis benötigt werden. Sie werden dort in Reihe geschaltet. Es handelt sich also um eine Reihenschaltung von Kondensator und Spule.

    Zum ersten Aufladen des Kondensators wird eine externe Spannungsquelle benötigt. Diese wird mithilfe eines Schalters an den Kondensator angeschlossen. Danach werden Kondensator und Spule verbunden. Sie laden und entladen sich dann immer gegenseitig.

    In einem idealen Schwingkreis würde dieser Vorgang dann auch ohne externe Spannungsquelle unendlich lang anhalten.

  • Erkläre den Unterschied zwischen einem idealen und einem realen Schwingkreis.

    Tipps

    Ein Schwingkreis kann ein bisschen mit einem Fadenpendel verglichen werden. Dieses führt im Idealfall harmonische Schwingungen aus. Doch ist das auch in der Realität möglich?

    In der Realität führt ein Fadenpendel eine gedämpfte Schwingung aus. Es schwingt also mit jedem Durchgang weniger hoch. Woran liegt das?

    Bei realen Bauteilen wird in der Elektrotechnik immer ein Widerstand $R$ eingezeichnet, der in Reihe mit dem Bauteil geschaltet ist. Welche Funktion hat dieser Widerstand?

    Lösung

    Beim idealen Schwingkreis wird davon ausgegangen, dass keine Verluste stattfinden.
    Das würde bedeuten, dass es an der Spule und dem Kondensator keinen Widerstand gibt. Das ist in der Wirklichkeit nicht möglich. Der Widerstand kann bei geeigneten Materialien und Temperaturen zwar minimiert, aber nicht komplett eliminiert werden.

    Jede Spule und jeder Kondensator hat in der Realität einen Widerstand. Dieser wird in Stromkreisen häufig als in Reihe geschalteter Scheinwiderstand dargestellt.

    Dadurch verläuft die Schwingung nicht unendlich lang gleich. Sie wird gebremst und hat damit den Verlauf einer gedämpften Schwingung, so wie es auch beim realen Fadenpendel der Fall ist.

  • Erkläre das Prinzip eines Schwingkreises.

    Tipps

    Im Schwingkreis laden und entladen sich Spule und Kondensator immer gegenseitig. Was muss zuvor passieren?

    Es gilt die Energieerhaltung. Die Bestandteile sind elektrische Energie und magnetische Energie. Was passiert, wenn der Kondensator entladen wird und damit die elektrische Energie kleiner wird?

    Die technische Stromrichtung führt immer vom Plus zum Minus-Pol. Sie läuft entgegen der Bewegung der Elektronen. Somit wird zyklisch die Richtung der Kreislaufs gewechselt.

    Lösung

    Ein idealer Schwingkreis braucht im eigentlichen Kreislauf keine externe Spannungsquelle.

    Doch zu Beginn des Prozesses muss der Kondensator aufgeladen werden. Dazu wird die Spannungsquelle mit dem Kondensator verbunden. Sobald der Kondensator elektrisch aufgeladen ist, wird er von der Spannungsquelle getrennt und mit der Spule verbunden.

    Es besteht also nun ein Stromkreis zwischen einer Reihenschaltung von Kondensator und Spule.
    Es gilt Energieerhaltung und die Energie kann sich zwischen elektrischer und magnetischer Energie wandeln.

    Der Kondensator entlädt sich und es entsteht ein elektrischer Strom. Durch den Strom entsteht ein Magnetfeld an der Spule. Die elektrische Energie wandelt sich in magnetische Energie.

    Die aufgeladene Spule induziert als nächstes eine Spannung, die einen Strom bewirkt. So wird der Kondensator auf- und die Spule entladen.
    Die technische Stromrichtung läuft immer vom Plus- zum Minuspol. Die Elektronen bewegen sich in entgegengesetzter Richtung.
    So bildet sich am Kondensator immer dort die positiv geladene Platte, wo der Strom nach der technischen Stromrichtung eintreffen würde.

    Nachdem sich die Spule wieder entladen hat, ist der Kondensator deswegen andersherum gepolt. Auch der Strom fließt als nächstes in die andere Richtung und der Kreislauf beginnt von neuem.

  • Erkläre die Funktionsweise eines Hertz'schen Dipols.

    Tipps

    Ein Hertz'scher Dipol funktioniert auf dem Prinzip eines Schwingkreises. Wie muss der Schwingkreis verändert werden, um einen geraden Stab zu erhalten?

    In einem Hertz'schen Dipol befinden sich bewegte Ladungen. Welche Bewegung können diese in einem Stab vollziehen und was bildet sich zwischen verschiedenen Ladungen?

    Je weiter sich die Ladungen auseinander bewegen, desto größer ist die Spannung. Was bedeutet das für die Stromstärke?

    Lösung

    Ein Hertz'scher Dipol wird auch offener Schwingkreis oder Antenne genannt.

    Er entsteht, wenn ein geschlossener Schwingkreis geöffnet wird. Der Schwingkreis wird dazu an den Kondensatorplatten auseinandergezogen und gestreckt. Die Kondensatorplatten werden zudem verkleinert.
    Das Prinzip bleibt dasselbe wie beim geschlossenen Schwingkreis.

    Es befinden sich nun Ladungen in diesem gestreckten Stab. Diese schwingen zwischen den Enden hin und her.
    Zwischen verschiedenartigen Ladungen entsteht ein elektrisches Feld.
    Zudem induzieren bewegte Ladungen ein magnetisches Feld.

    Die Felder bewegen sich vom Leiter weg und sind zueinander um 90 Grad versetzt.

    Je weiter die Ladungen voneinander entfernt sind, desto stärker ist das elektrische Feld. Auch die Spannung wird immer größer, dies hängt direkt zusammen.
    Weiter gilt, dass die Stromstärke immer kleiner wird, je größer die Spannung ist.

    Genauso verhält es sich auch andersherum: Sind die Ladungen sehr dicht beieinander, dann ist die Spannung Null und die Stromstärke maximal.

    Die Ladungen schwingen immer komplett von einem Ende zum anderen. Nachdem sie aneinander vorbeigeschwungen sind, bildet sich das elektrische Feld also in der anderen Richtung aus. Die Polarität hat gewechselt.
    Dies passiert bei jedem Durchgang.