Ein elektrisches Pendel

Kondensatoren speichern Energie in Form eines elektrischen Felds und manifestieren diese gespeicherte Energie elektrisch als Potenzial:statische Spannung . Induktoren speichern Energie in Form eines Magnetfelds und manifestieren diese gespeicherte Energie elektrisch als kinetische Bewegung von Elektronen:Strom .

Kondensatoren und Induktoren sind Kehrseiten derselben reaktiven Medaille, die Energie in komplementären Modi speichern und abgeben. Wenn diese beiden Arten von reaktiven Komponenten direkt miteinander verbunden sind, führt ihre komplementäre Tendenz zur Energiespeicherung zu einem ungewöhnlichen Ergebnis.

Wenn entweder der Kondensator oder die Induktivität in einem geladenen Zustand startet, tauschen die beiden Komponenten Energie zwischen ihnen hin und her aus und erzeugen ihre eigenen Wechselspannungs- und Stromzyklen.

Wenn wir davon ausgehen, dass beide Komponenten einer plötzlichen Spannung ausgesetzt sind (z. B. von einer kurzzeitig angeschlossenen Batterie), lädt sich der Kondensator sehr schnell auf und die Induktivität widersetzt sich der Stromänderung, sodass der Kondensator im geladenen Zustand und die Induktivität in der entladene Zustand.

Ausgangszustand:

Kondensator geladen:Spannung bei (+) Spitze; Induktor entladen:Nullstrom.

Der Kondensator beginnt sich zu entladen, wobei seine Spannung abnimmt. Währenddessen beginnt der Induktor eine „Ladung“ in Form eines Magnetfelds aufzubauen, wenn der Strom im Stromkreis ansteigt.

Kondensatorentladung:Spannung sinkt; Induktorladung:Stromerhöhung.

Der noch geladene Induktor lässt den Strom im Stromkreis fließen, bis der Kondensator vollständig entladen ist und keine Spannung an ihm verbleibt.

Kondensator vollständig entladen:Nullspannung; Induktor voll geladen:maximaler Strom.

Der Induktor hält den Stromfluss auch ohne angelegte Spannung aufrecht. Tatsächlich erzeugt es eine Spannung (wie eine Batterie), um den Strom in die gleiche Richtung zu halten. Der Kondensator, der diesen Strom empfängt, beginnt eine Ladung mit der entgegengesetzten Polarität wie zuvor anzusammeln.

Kondensatorladung:Spannung steigt (in entgegengesetzter Polarität); Induktorentladung:Strom sinkt.

Wenn die Energiereserve des Induktors endgültig aufgebraucht ist und die Elektronen zum Stillstand kommen, hat der Kondensator die volle (Spannungs-)Ladung in der entgegengesetzten Polarität wie beim Start erreicht.

Kondensator voll geladen:Spannung bei (-) Spitze; Induktor vollständig entladen:Nullstrom.

Jetzt befinden wir uns in einem Zustand, der dem am Anfang sehr ähnlich ist:Der Kondensator ist voll geladen und der Stromkreis ist stromlos. Der Kondensator beginnt sich wie zuvor über die Induktivität zu entladen, was einen Stromanstieg (in die entgegengesetzte Richtung wie zuvor) und einen Spannungsabfall verursacht, da er seine eigene Energiereserve erschöpft.

Kondensatorentladung:Spannung sinkt; Induktorladung:Stromerhöhung.

Schließlich entlädt sich der Kondensator auf null Volt, so dass der Induktor mit vollem Strom durch ihn geladen ist.

Kondensator vollständig entladen:Nullspannung; Induktor voll geladen:Strom bei (-) Spitze.

Der Induktor, der den Strom in der gleichen Richtung halten möchte, wird wieder wie eine Quelle wirken und eine Spannung wie eine Batterie erzeugen, um den Fluss fortzusetzen. Dadurch beginnt sich der Kondensator aufzuladen und die Stromstärke nimmt ab.

Kondensatorladung:Spannung steigt; Induktorentladung:Strom sinkt.

Schließlich wird der Kondensator wieder vollständig aufgeladen, da der Induktor alle seine Energiereserven verbraucht, um den Strom aufrechtzuerhalten. Die Spannung hat wieder ihren positiven Spitzenwert und der Strom Null. Damit ist ein vollständiger Zyklus des Energieaustauschs zwischen Kondensator und Induktivität abgeschlossen.

Kondensator voll geladen:Spannung bei (+) Spitze; Induktor vollständig entladen:Nullstrom.

Diese Oszillation setzt sich mit stetig abnehmender Amplitude aufgrund von Leistungsverlusten durch Streuwiderstände in der Schaltung fort, bis der Prozess ganz stoppt.

Insgesamt ähnelt dieses Verhalten dem eines Pendels:Beim Hin- und Herschwingen der Pendelmasse findet eine Energieumwandlung von kinetischer (Bewegung) in potentielle (Höhe) statt, ähnlich wie bei der Energieübertragung im Kondensator/Induktor-Schaltkreis hin und her in den Wechselformen von Strom (kinetische Bewegung der Elektronen) und Spannung (potentielle elektrische Energie).

Auf der Spitzenhöhe jedes Pendelschwungs stoppt die Masse kurz und wechselt die Richtung. An diesem Punkt ist die potentielle Energie (Höhe) maximal und die kinetische Energie (Bewegung) null.

Wenn die Masse in die andere Richtung zurückschwingt, passiert sie schnell einen Punkt, an dem die Saite gerade nach unten zeigt. An diesem Punkt ist die potentielle Energie (Höhe) null und die kinetische Energie (Bewegung) maximal. Wie bei der Schaltung setzt sich die Hin- und Her-Schwingung eines Pendels mit einer stetig gedämpften Amplitude fort, das Ergebnis der Luftreibung (Widerstand), die Energie verbraucht.

Ebenso wie die Schaltung verfolgen die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen des Pendels zwei Sinuswellen (90 Grad phasenverschoben) über die Zeit.

Pendel überträgt Energie zwischen kinetischer und potentieller Energie, wenn es von niedrig nach hoch schwingt.

In der Physik wird diese Art der natürlichen Sinuswellenschwingung für ein mechanisches System als Simple Harmonic Motion bezeichnet (oft abgekürzt als „SHM“). Dieselben zugrunde liegenden Prinzipien bestimmen sowohl die Schwingung einer Kondensator-/Induktorschaltung als auch die Wirkung eines Pendels, daher die Ähnlichkeit in der Wirkung.

Es ist eine interessante Eigenschaft jedes Pendels, dass seine Periodendauer von der Länge der Schnur bestimmt wird, die die Masse hält, und nicht vom Gewicht der Masse selbst. Aus diesem Grund schwingt ein Pendel mit der gleichen Frequenz weiter, wenn die Amplitude der Schwingungen abnimmt. Die Oszillationsrate ist unabhängig von der Menge darin gespeicherter Energie.

Das gleiche gilt für die Kondensator/Induktor-Schaltung. Die Oszillationsrate hängt strikt von der Größe des Kondensators und der Induktivität ab, nicht von der Höhe der Spannung (oder des Stroms) bei jedem jeweiligen Spitzenwert der Wellen.

Die Fähigkeit eines solchen Schaltkreises, Energie in Form von oszillierenden Spannungen und Strömen zu speichern, hat ihm den Namen Schwingkreis eingebracht . Seine Eigenschaft, eine einzige, natürliche Frequenz aufrechtzuerhalten, unabhängig davon, wie viel oder wenig Energie tatsächlich darin gespeichert ist, verleiht ihm eine besondere Bedeutung für das Design elektrischer Schaltungen.

Diese Tendenz zum Schwingen oder Mitschwingen , bei einer bestimmten Frequenz, ist nicht auf Schaltungen beschränkt, die ausschließlich für diesen Zweck ausgelegt sind. Tatsächlich neigt fast jeder Wechselstromkreis mit einer Kombination aus Kapazität und Induktivität (allgemein als „LC-Kreis“ bezeichnet) dazu, ungewöhnliche Effekte zu zeigen, wenn sich die Frequenz der Wechselstromquelle dieser Eigenfrequenz nähert.

Dies gilt unabhängig vom beabsichtigten Zweck der Schaltung.

Wenn die Netzfrequenz für eine Schaltung genau der Eigenfrequenz der LC-Kombination der Schaltung entspricht, befindet sich die Schaltung in einem Zustand der Resonanz . Die ungewöhnlichen Effekte werden in diesem Resonanzzustand maximal.

Aus diesem Grund müssen wir in der Lage sein, die Resonanzfrequenz für verschiedene Kombinationen von L und C vorherzusagen und uns der Resonanzeffekte bewusst zu sein.

RÜCKBLICK:

• Ein Kondensator und eine Induktivität, die direkt miteinander verbunden sind, bilden einen sogenannten Schwingkreis , die schwingt (oder mitschwingt ) auf einer bestimmten Frequenz. Bei dieser Frequenz wird Energie abwechselnd zwischen dem Kondensator und der Induktivität in Form von Wechselspannung und -strom um 90 Grad phasenverschoben.
• Wenn die Netzfrequenz für einen Wechselstromkreis genau der Eigenschwingungsfrequenz dieses Stromkreises entspricht, die von den L- und C-Komponenten festgelegt wird, liegt eine Resonanz .-Bedingung vor erreicht sein wird.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Grundlagen der Funkkommunikation
• Resonanz-Arbeitsblatt