Die Thomson-Gleichung
Welche Differentialgleichung beschreibt die ungedÀmpfte Schwingung im LC-Kreis?
ErklĂ€rung: Aus U_C + U_L = 0 folgt mit U_L = L·QÌ und U_C = Q/C die Gleichung L·QÌ + Q/C = 0. Sie hat dieselbe Form wie die Gleichung der mechanischen Federschwingung.
Aus welcher physikalischen Aussage wird die Differentialgleichung des Schwingkreises gewonnen?
ErklĂ€rung: Im geschlossenen LC-Kreis ohne Quelle muss die Gesamtspannung verschwinden. Aus U_C = âU_L folgt direkt die Schwingungsgleichung.
Welcher Lösungsansatz erfĂŒllt die Gleichung L·QÌ + Q/C = 0?
ErklĂ€rung: Einsetzen des Sinusansatzes liefert die Bedingung âLÏÂČ + 1/C = 0, also Ï = 1/â(LC). Die Exponentialfunktion beschreibt dagegen die Entladung ĂŒber einen Widerstand.
Berechne die Kreisfrequenz Ï = 1/â(L·C) eines Schwingkreises mit L = 0,25 H und C = 1 ”F. (Antwort in 1/s)
ErklĂ€rung: L·C = 0,25 · 10â»â¶ = 2,5·10â»â·, also â(LC) = 5·10â»âŽ s. Damit ist Ï = 1/(5·10â»âŽ s) = 2000 1/s.
Berechne die Schwingungsdauer T = 2Ï·â(L·C) fĂŒr L = 1 H und C = 1 ”F. (Antwort in Millisekunden, eine Dezimalstelle)
ErklĂ€rung: â(LC) = â(10â»â¶) s = 10â»Âł s. Damit ist T = 2Ï·10â»Âł s â 6,3 ms.
Ein Schwingkreis besteht aus L = 1 H und C = 1 ”F. Berechne die Eigenfrequenz fâ = 1/(2Ï·â(LC)). (Antwort in Hertz, auf ganze Zahl gerundet)
ErklĂ€rung: â(LC) = 10â»Âł s, also fâ = 1/(2Ï·10â»Âł s) â 159 Hz. Die Eigenfrequenz ist der Kehrwert der Schwingungsdauer T â 6,3 ms.
Ein Schwingkreis hat die Schwingungsdauer T = 2 ms. Seine KapazitÀt wird vervierfacht. Berechne die neue Schwingungsdauer. (Antwort in Millisekunden)
ErklĂ€rung: T wĂ€chst mit âC. Vervierfachen von C verdoppelt âC und damit T â die neue Schwingungsdauer betrĂ€gt 4 ms.
Verdoppelt man die InduktivitÀt L eines Schwingkreises, so verdoppelt sich auch die Schwingungsdauer T.
ErklĂ€rung: Falsch! T = 2Ïâ(LC) wĂ€chst nur mit der Wurzel aus L. Bei doppeltem L wird T um den Faktor â2 â 1,41 gröĂer.
Wie erreicht man mit einem Schwingkreis besonders hohe Eigenfrequenzen?
ErklĂ€rung: Wegen fâ = 1/(2Ïâ(LC)) steigt die Frequenz, wenn L und C sinken. Genau dieser Weg fĂŒhrt spĂ€ter vom Schwingkreis zum Hertzschen Dipol.
Beim Eingangsversuch liefert die Thomson-Gleichung T_theor = 0,9 s, gemessen wird T_exp â 1 s. Diese Abweichung widerlegt die Thomson-Gleichung.
ErklĂ€rung: Falsch! Die Messung bestĂ€tigt die Vorhersage in guter NĂ€herung. Die kleine Abweichung erklĂ€rt sich durch DĂ€mpfung und Bauteiltoleranzen â nicht durch einen Fehler der Gleichung.
Welche mechanische GröĂe ĂŒbernimmt in der Analogie zur Federschwingung die Rolle der InduktivitĂ€t L?
ErklĂ€rung: Der Vergleich der Schwingungsgleichungen zeigt m â L und D â 1/C. So wird aus T = 2Ïâ(m/D) die Thomson-Gleichung T = 2Ïâ(LC).
Die Frequenz, mit der ein sich selbst ĂŒberlassener Schwingkreis schwingt, heiĂt ___.
ErklĂ€rung: Jedes schwingungsfĂ€hige System schwingt ohne Ă€uĂere Einwirkung mit seiner Eigenfrequenz fâ. Beim Schwingkreis ist sie durch L und C festgelegt.
Ein Schwingkreis soll mit Ï = 1000 1/s schwingen und enthĂ€lt L = 1 H. Berechne die nötige KapazitĂ€t C = 1/(ÏÂČ·L). (Antwort in Mikrofarad)
ErklĂ€rung: C = 1/(ÏÂČ·L) = 1/(10ⶠ· 1) F = 10â»â¶ F. Das entspricht 1 ”F â so stellt man Frequenzbereiche gezielt ĂŒber die Bauteilwahl ein.