Aufg.3 Lös. Kondensator und Spule im Wechselstrom

ForscherInnenwerkstatt Physik 12-­‐2011 Aufgabe 3
Lösung
Kondensator und Spule im Wechselstrom.
3.1
Kondensator:
Ein Kondensator besteht im einfachsten Aufbau aus zwei Metallplatten,
die nur durch einen schmalen Luftspalt getrennt sind. Es besteht also keine leitende Verbindung
zwischen den äußeren Kontakten eines Kondensators, es kann also kein Strom über ihn fließen.
Allerdings dient er als Ladungsspeicher, das heißt eine begrenzte Menge an Elektronen kann, wenn
eine Spannung anliegt, in ihn hineinfließen und auch wieder heraus. Er ist also so etwas wie ein MiniAkku. Eine anliegende Wechselspannung bedeutet, dass sich die angelegte Spannung mit der Zeit
ändert, also fließen Elektronen in den Kondensator und wieder zurück. Er wirkt dabei ähnlich wie ein
Widerstand, wobei der Widerstandswert immer kleiner wird, je höher die Frequenz des
Wechselstromes ist.
Bei dieser Schaltung ist charakteristisch, dass die Spannungskurve des Widerstands (das entspricht
dem Strom durch den Kondensator) vor der Spannungskurve des Kondensators liegt. Die Differenz
beträgt fast ∆𝜑≈90° .
3.1.1 Wenn man also den Kondensator und Widerstand im Stromkreis hat und die Frequenz erhöht,
wird der Kondensator-Widerstand kleiner, deswegen nimmt die Spannung am Kondensator ab.
3.1.2 Bei einem größeren Widerstand wird der Teil der Spannung, der am Widerstand liegt, größer.
3.1.3 Bei einem größeren Kondensator wird sein Wechselstromwiderstand kleiner und damit nimmt
wie bei 3.1.1 die Spannung am Kondensator ab.
3.2
Spule:
Die Spule wirkt genau umgekehrt, ihr Widerstand nimmt mit steigender Frequenz zu. Ein Stromfluss
in einer Spule bewirkt nämlich den Aufbau eines Magnetfeldes. Wenn der Strom dabei immer wieder
seine Richtung ändert, ändert sich auch die Richtung des Magnetfeldes, das heißt, das Magnetfeld ist
nicht konstant. Ähnlich wie in einem Generator oder Fahrraddynamo, wo sich ein Magnet in einer
Spule dreht, erzeugt hier das sich ändernde Magnetfeld eine Spannung in der Spule, die gegen die
anliegende Spannung wirkt. Eine höhere Frequenz des Wechselstromes bedeutet, dass sich das
Magnetfeld schneller ändert, daher wird auch diese erzeugte Spannung größer und somit der
Widerstand.
Bei dieser Schaltung ist charakteristisch, dass die Spannungskurve des Widerstands (das entspricht
dem Strom durch die Spule) hinter der Spannungskurve des Kondensators liegt. Die Differenz beträgt
je nach verwendeter Leerspule ∆𝜑≈200 . Setzt man in die Spule einen Eisenkern, kann die
Differenz sehr groß werden, etwa bis ∆𝜑≈80−90° .