Sexl Physik 7, Schulbuch

103 | I I U U - - + + E E B B 103.1 Der Kondensator des Schwingkrei- ses wird zunächst aufgeladen und dann der Schwingkreis geschlossen. Die Ladung pendelt zwischen den beiden Kondensatorplatten hin und her. - - - + + + v = 0 v = 0 v = 0 v max –v max I = 0 I I = 0 I I = 0 B B E E E 103.2 Die Vorgänge im Schwingkreis und am Federpendel entsprechen einander. Zeit t Auslenkung y 103.3 Strom und Spannung im Schwingkreis sind gegeneinander phasenverschoben. Bei maximalem Strom ist das Magnetfeld der Spule aufgebaut, bei maximaler Spannung das elektrische Feld des Kondensators. Wegen des Ohm’schen Widerstandes kommt die Schwin- gung allmählich zur Ruhe. 5.1 Der Schwingkreis In diesem Abschnitt sollen Überlegungen angestellt werden, wie mit Hilfe einer elektrischen Schaltung, dem so genannten Schwingkreis, elektromagnetische Wel- len künstlich erzeugt werden können. Das genauere Verständnis der Funktions- weise eines Schwingkreises soll es ermöglichen, eine Vorstellung von elektromag- netischen Wellen zu entwickeln. Der Schwingkreis als Ladungsschaukel Ein Schwingkreis besteht aus einem Kondensator mit der Kapazität C und einer Spule mit der Induktivität L – der Ohm’sche Widerstand wird zunächst nicht be- rücksichtigt. In diesem System können Elektronen hin- und herschwingen, daher auch der Ausdruck Ladungsschaukel ( 103.1 und 103.2 ). Anfangs ist der Kondensator geladen ( 103.1 a ). In ihm ist daher elektrische Energie gespeichert. Die Spannung U = Q / C zwischen den Kondensatorplatten führt beim Schließen des Stromkreises zu einem Strom durch die Spule. Der Kondensa- tor entlädt sich, das elektrische Feld in ihm wird kleiner, in der Spule entsteht ein Magnetfeld ( 103.1 b ). Nach der Entladung des Kondensators fließt der Strom noch eine Zeitlang in die gleiche Richtung weiter, weil das abnehmende Magnet- feld eine Spannung erzeugt, die den Strom weiter fließen lässt. Der Kondensator wird dabei in umge- kehrter Weise wieder aufgeladen ( 103.1 c ). Allmählich wird die gesamte Ener- gie wieder im elektrischen Feld des Kondensators gespeichert und das Magnetfeld sinkt auf Null ab. Danach entlädt sich der erneut aufgeladene Kondensator in um- gekehrter Richtung, usw. – der Prozess beginnt wieder von vorne ( 103.1 d ). Im geladenen Kondensator ist elektrische Energie, in der Spule magnetische Ener- gie gespeichert. Die Energie des Schwingkreises pendelt zwischen diesen beiden Formen. Daher kann man sich einen Schwingkreis ähnlich wie ein Federpendel vorstellen ( 103.2 ). Dabei übernehmen die Elektronen im Schwingkreis die Rolle des Pendelkörpers. Sie schwingen hin und her. Elektrische und magnetische Energie stehen in Analogie zu potenzieller und kine- tischer Energie. Die Induktivität L spielt dieselbe Rolle wie die Masse: Je größer L ist, desto größer ist der „Widerstand“ der Spule gegen eine Änderung des Stromes. Nach den Kirchhoff’schen Regeln (s. Physik 5) sind in jedem Augenblick die Strö- me zum/vom Kondensator und zur Spule gleich, ebenso sind die Spannungen am Kondensator und an der Spule gleich. (Strom und Spannung sind gegeneinander phasenverschoben ( 103.3 ).) Weil sowohl Ströme als auch Spannungen gleich sind, müssen auch die Wechselstromwiderstände gleich sein. Diese Bedingung ist nur für = ω L , also für ω = erfüllt. Für die Frequenz f = gilt : Die Frequenz der Ladungsschwingung in einem Schwingkreis ist durch die Thomson’sche Formel bestimmt: Untersuche, überlege, forsche: Schwingungen hoher Frequenz 103.1 In diesem Abschnitt wurde die prinzipielle Funktionsweise eines Schwingkreises erklärt. Überlege dir anhand von 103.1 , wie man diese Schaltung verändern müsste, um Schwingungen mit hohen Frequenzen zu erhalten. a) b) c) d) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv