Kondensator Laden & Entladen: Praxisnahes RC-Schaltkreis-Experiment

Benötigte Materialien für das Kondensator-Lade/-Entlade-Experiment

Für die Durchführung benötigen Sie folgende Komponenten:

• 6-V-Batterie
• Zwei Elektrolytkondensatoren, mindestens 1000 µF (z. B. Radio Shack #272-1019, #272-1032 oder gleichwertig)
• Zwei 1-kΩ-Widerstände
• Ein Einpoliger Einwegeschalter (SPST) – ein Haushaltslichtschalter funktioniert

Große Kapazitätswerte sind essenziell, um Zeitkonstanten zu erreichen, die mit Voltmeter und Stoppuhr genau messbar sind.

Da die meisten Kondensatoren dieser Werte Elektrolytkondensatoren sind, sind sie polaritätsempfindlich. Der Negative Pol ist meist durch einen Strich oder Strichserie markiert, der Positive Pol kann ein +-Zeichen tragen. Falschpolung führt fast sicher zum Ausfall, selbst bei 6 V. Defekte Elektrolytkondensatoren können explodieren, ätzende Chemikalien freisetzen und üblen Geruch verursachen. Vorsicht ist geboten.

Sicherheitshinweis: Bei Unsicherheit zu Polarkennzeichnungen Datenblatt oder qualifizierten Ausbilder konsultieren.

Weiterführende Ressourcen

• Lessons In Electric Circuits, Band 1, Kapitel 13: „Capacitors“
• Lessons In Electric Circuits, Band 1, Kapitel 16: „RC and L/R Time Constants“

Lernziele

Nach Abschluss dieses Labors sollten Sie in der Lage sein:

• Ladeverhalten eines Kondensators im RC-Kreis zu beschreiben
• Entladeverhalten zu beschreiben
• Zeitkonstante τ = R·C zu berechnen
• Erklären, wie Reihen- und Parallelschaltung die Gesamtkapazität ändern

Lade- und Entladeschaltplan

Versuchsaufbau

Versuchsablauf

Spannungsmessung während des Ladens

Bauen Sie die Ladeschaltung auf und schließen Sie den Schalter. Zeichnen Sie mit einem Voltmeter die Spannung am Kondensator über der Zeit auf. Beachten Sie den allmählichen, exponentiellen Anstieg statt eines sprunghaften Wechsels.

Um den Kondensator auf Null Volt zurückzusetzen, kurzschließen Sie seine Anschlüsse mit einem Drahtstück.

Die Zeitkonstante τ eines RC-Kreises ergibt sich aus dem Produkt von Widerstand und Kapazität. Für 1 kΩ und 1000 µF beträgt τ = 1 s. Dies ist die Zeit, bis die Kondensatorspannung ca. 63,2 % der Batteriespannung erreicht.

Ein Diagramm der Spannung gegen die Zeit auf Millimeterpapier zeigt die charakteristische umgekehrt-exponentielle Kurve. Eine Zeitkonstante von einer Sekunde bietet begrenzte Auflösung; wir können den Kreis absichtlich verlangsamen.

Zeitkonstante variieren

Erhöhen Sie τ durch Anpassung von:

• Gesamtwiderstand (z. B. weitere Widerstände in Reihe), oder
• Gesamtkapazität (z. B. Kondensatoren in Reihe oder Parallel).

Experimentieren Sie mit verschiedenen Reihen- und Parallelkombinationen der zwei Widerstände und zwei Kondensatoren, um die Konfiguration mit der langsamsten Ladekurve zu finden.

Wichtig: Beim Anschließen der Kondensatoren müssen die negativen Anschlüsse zum negativen Batteriepol ausgerichtet sein.

Das Entladeverhalten ist ähnlich, doch die Spannung startet auf Batterieniveau und fällt langsam ab, sobald der Schalter geöffnet wird. Wiederholen Sie die Versuche mit verschiedenen Widerstands- und Kondensatorkombinationen, stets unter Beachtung der Polarität.

Computersimulation

SPICE-Schaltplan mit Knotennummern:

Netlist (kopieren Sie folgenden Text in eine Plain-Text-Datei namens rc.cir):

Capacitor charging circuit
v1 1 0 dc 6
r1 1 2 1k
c1 2 0 1000u
.ic 0
.tran 0.1 5
.uic
.plot tran v(2,0)
.end

Arbeitsblätter

• Time Constant Calculations Worksheet
• Capacitors Worksheet