RC-Filterschaltung

Fachbereich Molekulare Biologie, Abteilung Physik und Biophysik, Universität Salzburg,
G. Moser, M. Musso, K. Plätzer, Praktikum – Physik für Mediziner version 06.10.04
RC-Filter Schaltungen
Aufgabenstellung:
Das Frequenzverhalten von einer RC-Filterschaltung (in diesem Fall ein Tiefpaß), die nur aus Widerständen R und
Kondensatoren C aufgebaut sind, ist zu untersuchen.
R
Y
FG
C
Abb. 2: Tiefpaß
Experimentelle Vorgangsweise:
Die in der Figur gezeigten Schaltung ist mit dem Widerstand R=470  und mit dem Kondensator C=100 nF
aufzubauen. Ein Frequenzgenerator dient als Quelle für eine sinusförmige Eingangsspannung Ue. Diese wird auch
zusätzlich am zweiten Kanal (Y2) des Oszilloskopes dargestellt. Die Ausgangsspannung Ua wird am ersten (Y1)
Kanal des Oszilloskopes dargestellt. Bei fester Amplitude Ue der Eingangsspannung wird sowohl die Amplitude Ua
der Ausgangsspannung, als auch die Phasenverschiebung F bei beiden Schaltungen in Abhängigkeit der am
Frequenzgenerator eingestellten Frequenz  von 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 50, 100 kHz, gemessen.
Auswertung:
Für den Tiefpaß ist der dekadische Logarithmus der Spannungsverstärkung vu = Ua/Ue als Funktion des
dekadischen Logarithmus der Frequenz  zu zeichnen. Die charakteristische Frequenz c = 1/(2RC) bestimmt bei
Hoch- und Tiefpaß die Kantenfrequenz. Der theoretische Wert ist mit den Ergebnissen aus den jeweiligen
Diagrammen zu vergleichen. Weiters ist die Phasenverschiebung  in Abhängigkeit vom dekadischen
Logarithmus der Frequenz  darzustellen.
Zur Vorbereitung:
•
H. Tritthart, Medizinische Physik und Biophysik, 2001, Schattauer GmbH Stuttgart
• Kap. 5. Elektrizität; Kap. 5.1 Elektrostatik; Kap. 5.1.1 Ladung; Kap. 5.1.2 Coulomb Gesetz; Kap. 5.2.1
Materie im elektrischen Feld; Widerstand; Leiter im elektrostatischen Feld; Kondensator; Kap. 5.3.1
Strom und Stromarbeit; Kap. 5.5.8 Das Oszilloskop; Kap. 6.1 Biologische Ströme und medizinische
Stromwirkungen; Kap. 6.1.1 Membranen; Membrankapazität und Widerstand; Kap. 6.5.4 Verstärker;
Filter.
•
W. Hellenthal, Physik für Mediziner und Biologen, 7. Auflage 2002, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH
Stuttgart
• Kap. 6.1 Zusammenhänge am einfachen Stromkreis; Kap. 6.1.1 Elektrischer Strom; 6.1.2 Elektrische
Spannung; Kap. 6.1.3 Elektrische Ladung und Stromstärke; Kap. 6.1.5 Elektrische Energie und
Leistung; Kap. 6.2.2 Elektrostatische Felder; Kap. 6.2.3 Kondensator; Kap. 6.2.4 Influenz; Kap. 6.6
Wechselstrom und -spannung; Kap. 6.6.1 Momentan- und Mittewerte; Kap. 6.6.2
Wechselstromwiderstand; Kap. 6.7 Elektrische Meßinstrumente, Elektronen- und Ionengeräte; Kap.
6.7.1 Meßinstrumente für Stromstärke und Spannung; Kap. 6.7.2 Elektronen-Geräte.
•
A. Trautwein, U. Kreibig, E. Oberhausen, J. Hüttermann, Physik für Mediziner, Biologen, Pharmazeuten, 2000,
Walter de Gruyter Berlin
• Kap. 14.2 Ladung; Kap. 14.2.1 Ladungsmenge; Kap 14.2.2 Kraft zwischen elektrischen Ladungen; Kap
14.3 Spannung; Kap. 14.4 Strom; Kap 14.7 Elektrostatisches Feld; Kap. 14.7.2 Arbeit und Energie im
elektrischen Feld; Kap. 14.7.3 Kondensator und Kapazität; Kap. 14.9 Zeitabhängige Spannungen und
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G. Moser, M. Musso, K. Plätzer, Praktikum – Physik für Mediziner version 06.10.04
Ströme; Kap. 14.9.1 Ein- und Ausschaltvorgänge; Kap. 14.9.1.1 Ein- und Ausschaltvorgang beim
Kondensator; Kap. 16.1.4 Elektronenstrahl-Oszilloskop.
Weiterführende Literatur:
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G. Adam, P. Läuger, G. Stark: Physikalische Chemie und Biophysik, Springer Verlag
W. Walcher: Praktikum der Physik, Teubner Studienbücher Stuttgart
WEB-Links:
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Die Kapazität eines Kondensators: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/capacitance/
Die Zeitkonstante RC: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/timeconstant/
Ein natürlicher Kondensator: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lightning/
Ladung und Entladung eines Kondensators: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/capacitor/
bzw. http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/rc/rc.html
Der Hochpaß: http://www.sbg.ac.at/bio/people/musso/lehre/messmethoden/teil6/rcschaltung/hochpass/rc-schaltungen-hochpass.htm
Anwendungbeispiele für die physikalischen Begriffe Kapazität und Filter
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Verständnis der passiven elektrischen Eigenschaften biologischer Membranen als Grundlage für
Zellbiologische Vorgänge und für die Funktion von Neuronen.
Elektrische Filterungen in der Elektrophysiologie.