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SG101 Resonanzkurve bei elektromagnetischen Schwingkreisen

erzwungene Schwingungen

Resonanz

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

1. Vorbemerkungen:

Bei einer Resonanzkurve geht es darum, wie die Amplitude der Schwingung eines schwingungsfähigen Systems von der Erregerfrequenz abhängt. Eine solche Abhängigkeit ist zu unterscheiden von der Abhängigkeit der Schwingung von der Zeit (Zeitverlauf).

(Bei einer festen Frequenz variiert eine Messgröße der Schwingung, hier z.B. die Schwingkreisspannung, im Laufe der Zeit zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert. Der Maximalwert der Schwingung heißt auch Amplitude. Dieser Zeitverlauf interessiert hier weniger.)

Allen Resonanzkurven gemeinsam ist der starke Anstieg und Abfall in der Nähe der Resonanzfrequenz. Der sonstige Verlauf hängt aber von der Ankopplung des schwingungsfähigen Systems an den Erreger ab. Von der Mechanik her kennt man verschiedene Arten der Kopplung: (1) Kraftkopplung, (2) Aufhängungskopplung, (3) Geschwindigkeitskopplung und (4) Beschleunigungskopplung.

Auch dem elektromagnetischen Schwingkreis kann Energie auf unterschiedliche Weisen zugeführt werden: mit (a) induktiver, (b) kapazitiver, (c) galvanischer und (d) induktiv-galvanischer Kopplung. Einen Vergleich verschiedener Kopplungsarten und wie sie sich auf die unterschiedliche Form der Resonanzkurven auswirkt, findest du hier.

Abb. 1a: Induktive Kopplung, entsprechend der Beschleunigungskopplung Abb. 1b: Kapazitive Kopplung, entsprechend der Beschleunigungskopplung Abb. 1c: Galvanische Kopplung, entsprechend der Geschwindigkeitskopplung Abb. 1d: Eine andere Art induktiver Kopplung, die induktiv-galvanische Kopplung entsprechend der Aufhängungskopplung

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2. Nun zum eigentlichen Versuch

Es werden erzwungene Schwingungen erzeugt. Von einem Funktionsgenerator mit wählbarer Erreger-Frequenz (links) wird Energie an den Schwingkreis geliefert, der bei geeigneter Frequenz mit sehr hoher Amplitude schwingt.

Du weißt ja: Bei erzwungenen Schwingungen stimmt die Schwingungs-Frequenz (nach dem Einschwingvorgang) immer mit der Erregerfrequenz überein. Das ist wichtig für die Frequenzmessung.

Auf dem Oszilloskop-Bildschirm siehst du den Zeitverlauf der Schwingung. Dich interessiert aber nur ihr Maximalwert, die Amplitude.

Abb. 2: Versuchsaufbau bei kapazititver Kopplung

Als Spule wird hier eine Spule mit Ferritkern verwendet, die pro Wicklung eine Induktivität von 0,1 H hat.

Die Kapazität kann durch weitere (grau gezeichnete) Kondensatoren verändert werden, die Induktivität durch Beschaltung der Spule mit den zwei Wicklungen (siehe SVSPUL)

Abb. 3: Auflageblatt für die Leybold-Rastersteckplatte für kapazitive Kopplung

Baue auf der Rastersteckplatte einen Schwingkreis auf mit einer Kopplungsart nach Wahl. Als Erregerspannung nimmst du die Ausgangsspannung eines Funktionsgenerators. Die Spannung am Schwingkreis misst du mit einem Oszilloskop. Dort siehst du heftige Schwingungen, jeweils mit der Erregerfrequenz f. Es geht aber nicht um den Zeitverlauf dieser Schwingungen, sondern nur um ihren Maximalwert, die Amplitude, in Abhängigkeit von der Frequenz f bzw. Kreisfrequenz ω. Die Frequenz f liest du am Funktionsgenerator ab. Ein einziges Mal misst du zur Kontrolle die Schwingungsdauer auf dem Bildschirm und errechnest daraus die Frequenz. Bei guter Übereinstimmung verwendest du immer den Wert vom Funktionsgenerator, also die Erregerfrequenz.

Ein geeignetes Messinterface könnte zugleich die Erregerspannung liefern und die Schwingkreisspannung und die Frequenz messen. Wegen der geringen Kosten könnten dann mehrere Messstationen zur Verfügung stehen. Details sind im Buch "Physikalische Schülerversuche ... " zu finden.

Mit dem Programm LEISTES.exe könntest du für mechanische Schwingungen die Resonanzkurve auch in einer Simulation ermitteln. Das ist hier beschrieben. Vgl. auch SG044.

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( September 2014 )