Erzeugung ungedämpfter Schwingungen durch Rückkopplung

Physik - Praktikum
Versuch 15
Elektromagnetischer Schwingkreis: Erzeugung ungedämpfter Schwingungen durch
Rückkopplung; Resonanz
Grundlagen: Wenn man den Kondensator eines Schwingkreises
auflädt und dann „die Schwingung freigibt“, beobachtet man
normalerweise nur eine stark gedämpfte Schwingung (z. B.
durch Messung der Spannung am Kondensator), nach
wenigen Perioden sind U(t) und I(t) gleich null. Die im
Schwingkreis gespeicherte Energie wird im Ohmschen
Widerstand der Spule in Wärme umgewandelt. Diese
Energieverluste sind unvermeidlich, da jede Spule nicht nur
eine Eigeninduktivität, sondern auch einen Ohmschen
Widerstand hat.
Wenn man die Energieverluste im richtigen Moment durch
Energiezufuhr ausgleicht, kann man zu einer ungedämpften
Schwingung kommen. Der richtige Moment wird durch
Rückkopplung erkannt, die Energiezufuhr wird durch eine
Transistorschaltung gesteuert. Stichworte für die
entsprechenden Punkte im Buch: Erzwungene Schwingungen,
Meißner-Schaltung (S. 114 ff). Die Meißner-Schaltung wird bei
Aufgabe 2.) verwendet.
Aufgabe 1: Um zu verstehen, was mit „dem richtigen Moment“
gemeint ist, ist eine einfache „Rückkopplungsschaltung
aufgebaut. (Siehe nebenstehende Abbildung V 1)
Skizziere den Versuchsaufbau und erkläre, wie hier die
Rückkopplung erfolgt.
Aufgabe 2: Erzeuge mit Hilfe eines Schwingkreises und einer Transistorschaltung dauernde
elektromagnetische Schwingungen (Meißner-Schaltung)
Durchführung:
1. Baue die Schaltung nach der Schaltzeichnung auf und stelle die Betriebsspannung auf 12 V-.
Schließe den Schalter und achte, wie auch bei den folgenden Versuchsschritten, auf die Tonhöhe.
2. Leihe einen 2. Kondensator 47 nF (und die fehlenden Leiterbausteine) von einer anderen
Schülergruppe und schalte ihn parallel zum vorhandenen.
3. Verschiebe das Joch über dem U-Kern und beachte die
Notiere die Beobachtungen und Messergebnisse auf einem anderen Blatt.
Auswertung:
1.) Welche Schaltung liegt im gestrichelt umrahmten Teil der Skizze vor?
2.) Wozu dient die Sekundärspule des Transformators, die in den Transistorstromkreis geschaltet ist?
3,) Von welchen Faktoren ist die Höhe des Tons – die Frequenz der Schwingung – abhängig?
Anmerkung: Der Lautsprecher liegt nicht direkt im Schwingkreis. Durch den Lautsprecher fließt aber
der Wechselstrom, der für den Ausgleich der Energieverluste im Schwingkreis sorgt. Die Frequenz
dieses Wechselstroms ist somit „synchron“ zur Frequenz des Wechselstroms im Schwingkreis.
Aufgabe 3: Aufnahme einer Resonanzkurve
Verbinde einen Kondensator mit der Kapazität C = 47 F und eine Spule mit der Eigeninduktivität L =
1,3 mH zu einem Schwingkreis. Der Schwingkreis wird über eine zweite Spule, die an den
Sinusgenerator angeschlossen ist, „induktiv“ angeregt. Die Spannung am Kondensator im
Schwingkreis wird gemessen (mit dem Oszilloskop)
Im folgenden sind die zu beantwortenden Fragen jeweils unterstrichen:
Was ist mit „induktiver Kopplung“ gemeint?
Sinusgenerator
L = 1,3 mH
C = 47 F
zum Oszilloskop
Welche Eigenfrequenz hat der Schwingkreis?
Stelle am Sinusgenerator diese Frequenz und variiere sie leicht.
Was beobachtet man am Oszilloskop?
Û
Die „Resonanzkurve“ zeigt in diesem Fall Û
am Kondensator in Abhängigkeit von der
Zwangsfrequenz.
Skizziere den prinzipiellen Verlauf dieser Kurve.
f
Welche Größen sind z.B. aufgezeichnet, wenn die Resonanzkurve für eine mechanische Schwingung
vorliegt?
Auf S. 119 sind im Buch nähere Informationen zum Thema Resonanzkurven zu finden.