Elektrisches Pendel: Wie Kondensatoren und Spulen Energie austauschen

Kondensatoren speichern Energie in Form eines elektrischen Feldes und manifestieren diese gespeicherte Energie elektrisch als Potential: statische Spannung. Spulen speichern Energie in Form eines magnetischen Feldes und manifestieren diese gespeicherte Energie elektrisch als kinetische Bewegung von Elektronen: Strom.

Kondensatoren und Spulen sind die Kehrseiten derselben reaktiven Medaille, sie speichern und geben Energie in komplementären Modi frei. Wenn diese beiden Arten reaktiver Komponenten direkt miteinander verbunden werden, erzeugen ihre komplementären Tendenzen zur Energiespeicherung ein ungewöhnliches Ergebnis.

Wenn entweder der Kondensator oder die Spule in einem geladenen Zustand beginnt, werden die beiden Komponenten Energie zwischen sich hin und her austauschen und dabei ihre eigenen AC-Spannungs- und Stromzyklen erzeugen.

Wenn wir annehmen, dass beide Komponenten einer plötzlichen Spannungsanwendung ausgesetzt sind (z. B. von einer kurzzeitig angeschlossenen Batterie), wird der Kondensator sehr schnell laden und die Spule wird der Stromänderung entgegenwirken, wodurch der Kondensator im geladenen Zustand und die Spule im entladenen Zustand verbleibt.

 

Anfangszustand:

Kondensator geladen: Spannung bei (+) Peak; Spule entladen: null Strom.

 

Der Kondensator beginnt sich zu entladen, seine Spannung nimmt ab. Gleichzeitig beginnt die Spule, eine „Ladung“ in Form eines magnetischen Feldes aufzubauen, während der Strom im Kreis zunimmt.

 

Kondensator entlädt: Spannung abnehmend; Spule lädt: Strom zunehmend.

 

Die Spule, die noch lädt, hält den Strom im Kreis fließen, bis der Kondensator vollständig entladen ist, wodurch null Spannung über ihm verbleibt.

 

Kondensator vollständig entladen: null Spannung; Spule voll geladen: maximaler Strom.

 

Die Spule wird den Stromfluss auch ohne angelegte Spannung aufrechterhalten. Tatsächlich wird sie eine Spannung erzeugen (wie eine Batterie), um den Strom in dieselbe Richtung zu halten. Der Kondensator, als Empfänger dieses Stroms, beginnt, eine Ladung in der entgegengesetzten Polarität wie zuvor anzusammeln.

 

Kondensator lädt: Spannung zunehmend (in entgegengesetzter Polarität); Spule entlädt: Strom abnehmend.

 

Wenn die Spule schließlich ihre Energiereserve aufgebraucht hat und die Elektronen zum Stillstand kommen, wird der Kondensator die volle (Spannungs-)Ladung in der entgegengesetzten Polarität wie beim Start erreicht haben.

 

Kondensator voll geladen: Spannung bei (-) Peak; Spule voll entladen: null Strom.

 

Jetzt sind wir in einem Zustand, der dem Start sehr ähnlich ist: der Kondensator bei voller Ladung und null Strom im Kreis. Der Kondensator wird, wie zuvor, beginnen, sich durch die Spule zu entladen, was eine Stromzunahme (in entgegengesetzter Richtung wie zuvor) und eine Spannungsabnahme verursacht, während er seine Energiereserve aufzehrt.

 

Kondensator entlädt: Spannung abnehmend; Spule lädt: Strom zunehmend.

 

Schließlich wird der Kondensator auf null Volt entladen, wodurch die Spule voll geladen mit vollem Strom durch sie verbleibt.

 

Kondensator vollständig entladen: null Spannung; Spule voll geladen: Strom bei (-) Peak.

 

Die Spule, die bestrebt ist, den Strom in derselben Richtung aufrechtzuerhalten, wird wieder wie eine Quelle wirken und eine Spannung wie eine Batterie erzeugen, um den Fluss fortzusetzen. Dabei wird der Kondensator beginnen, sich aufzuladen, und der Strom wird an Größe abnehmen.

 

Kondensator lädt: Spannung zunehmend; Spule entlädt: Strom abnehmend.

 

Schließlich wird der Kondensator wieder vollständig geladen, während die Spule ihre gesamten Energiereserven aufwendet, um den Strom aufrechtzuerhalten. Die Spannung wird erneut ihren positiven Peak erreichen und der Strom null sein. Dies vervollständigt einen vollständigen Zyklus des Energieaustauschs zwischen Kondensator und Spule.

 

Kondensator voll geladen: Spannung bei (+) Peak; Spule voll entladen: null Strom.

 

Diese Oszillation wird mit stetig abnehmender Amplitude aufgrund von Leistungsverlusten durch Streuwiderstände im Kreis fortgesetzt, bis der Prozess ganz aufhört.

Insgesamt ist dieses Verhalten dem eines Pendels ähnlich: Wenn die Pendelmasse hin und her schwingt, findet eine Energieumwandlung statt von kinetisch (Bewegung) zu potenziell (Höhe), ähnlich wie die Energie im Kondensator/Spulen-Kreis hin und her in den alternierenden Formen von Strom (kinetische Bewegung der Elektronen) und Spannung (potenzielle elektrische Energie) übertragen wird.

Am höchsten Punkt jedes Pendelschlags hält die Masse kurz an und wechselt die Richtung. An diesem Punkt ist die potentielle Energie (Höhe) maximal und die kinetische Energie (Bewegung) null.

Wenn die Masse zurückschwingt, passiert sie schnell einen Punkt, an dem die Schnur senkrecht nach unten zeigt. An diesem Punkt ist die potentielle Energie (Höhe) null und die kinetische Energie (Bewegung) maximal. Wie der Kreis wird die hin- und hergehende Oszillation des Pendels mit stetig gedämpfter Amplitude fortgesetzt, das Ergebnis von Luftreibung (Widerstand), die Energie dissipiert.

Auch wie der Kreis verfolgen die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen des Pendels zwei Sinuswellen (90 Grad aus der Phase) über die Zeit.

 

Pendel überträgt Energie zwischen kinetischer und potenzieller Energie beim Schwingen von tief nach hoch.

 

In der Physik wird diese Art natürlicher Sinuswellen-Oszillation für ein mechanisches System Einfache Harmonische Bewegung genannt (oft als „SHM“ abgekürzt). Die gleichen zugrunde liegenden Prinzipien regeln sowohl die Oszillation eines Kondensator/Spulen-Kreises als auch die Aktion eines Pendels, daher die Ähnlichkeit im Effekt.

Es ist eine interessante Eigenschaft jedes Pendels, dass seine Periodendauer durch die Länge der die Masse haltenden Schnur bestimmt wird, nicht durch das Gewicht der Masse selbst. Deshalb wird ein Pendel mit derselben Frequenz weiterschwingen, während die Amplitude der Oszillationen abnimmt. Die Oszillationsrate ist unabhängig von der Menge der darin gespeicherten Energie.

Dasselbe gilt für den Kondensator/Spulen-Kreis. Die Oszillationsrate hängt strikt von den Größen des Kondensators und der Spule ab, nicht von der Spannungs- (oder Strom-)Menge an den jeweiligen Peaks in den Wellen.

Die Fähigkeit eines solchen Kreises, Energie in Form von oszierender Spannung und Strom zu speichern, hat ihm den Namen Tankkreis eingebracht. Seine Eigenschaft, eine einzige, natürliche Frequenz beizubehalten, unabhängig davon, wie viel oder wenig Energie tatsächlich darin gespeichert ist, verleiht ihm besondere Bedeutung im elektrischen Schaltungsdesign.

Jedoch ist diese Tendenz zu oszillieren, oder zu resonieren, an einer bestimmten Frequenz nicht auf Kreise beschränkt, die ausschließlich für diesen Zweck entworfen wurden. Tatsächlich wird fast jeder AC-Kreis mit einer Kombination aus Kapazität und Induktivität (gemeinsam als „LC-Kreis“ bezeichnet) dazu neigen, ungewöhnliche Effekte zu manifestieren, wenn die AC-Stromquellenfrequenz sich dieser natürlichen Frequenz nähert.

Dies gilt unabhängig vom beabsichtigten Zweck des Kreises.

Wenn die Stromversorgungsfrequenz für einen Kreis genau der natürlichen Oszillationsfrequenz der LC-Kombination des Kreises entspricht, wird der Kreis als im Zustand der Resonanz bezeichnet. Die ungewöhnlichen Effekte erreichen in diesem Resonanzzustand ihr Maximum.

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

 

ZUSAMMENFASSUNG:

• Ein direkt verbundener Kondensator und eine Spule bilden einen sogenannten Tankkreis, der an einer bestimmten Frequenz oszilliert (oder resoniert). Bei dieser Frequenz wird Energie abwechselnd zwischen dem Kondensator und der Spule in Form von wechselnder Spannung und Strom, die 90 Grad aus der Phase zueinander sind, hin- und hergeschoben.
• Wenn die Stromversorgungsfrequenz für einen AC-Kreis genau der natürlichen Oszillationsfrequenz des Kreises entspricht, wie sie durch die L- und C-Komponenten festgelegt ist, wird ein Zustand der Resonanz erreicht.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Grundlagen der Funkkommunikation Arbeitsblatt
• Resonanz Arbeitsblatt