Elektromagnetische Schwingkreise sind für SuS häufig abstrakt und unanschaulich.

Die SuS sollen durch diesen Versuch besser in der Lage sein, den zeitlichen Verlauf von elektromagnetische Schwingungen zu beschreiben.

Dabei sollen sie benennen können:

• wie groß die Phasenverschiebung von $I$ und $U$ an den jeweiligen Bauteilen ist (90° an der Spule, -90° am Kondensator, 0° am Ohmschen Widerstand)

• dass die Schwingung aufgrund der Ohmschen Widerstände $R$ gedämpft ist (Amplituden von $I$ und $U$ fallen mit der Zeit)

• wie die Strom- und Spannungsmessgeräte eingestellt werden sollen (Gleichstrom statt Wechselstrom, Zeiger mittig, Messbereich gleich der maximalen Auslenkung $I_{max}$ , bzw. $U_{max}$)

• welchen Einfluss das Erhöhen der Kapazität / Induktivität auf die Schwingung hat (beide vergrößern Periodendauer, Induktivität verringert zusätzlich Dämpfungskoeffizienten)

• Spannungsquelle (regelbar)

• Spule mit möglichst hoher Induktivität (hier $L=500\ \text{H}$ und Innenwiderstand $R=300\ \Omega$)

• Kondensator mit möglichst hoher Kapazität (hier zwei Stück mit jeweils $C=40\ \text{µF}$)

• Ampèremeter (analog, Gleichstrom, regelbarer Messbereich)

• Voltmeter (analog, Gleichspannung, regelbarer Messbereich)

• Verbindungskabel

• Dreipunktschalter (Umschalter)

Die Messgeräte sollten möglichst große Anzeigetafeln und Zeiger in Mittelpunktlage haben.

• Die vollständige Schaltung ist in der Schaltskizze gezeigt.

• Zuerst wird wie auf dem ersten Foto der Schwingkreis aus Spule und Kondensator, sowie der Ladestromkreis aus Spannungsquelle und Kondensator aufgebaut. Durch einen Umschalter soll zwischen Ladestromkreis und Schwingkreis hin- und hergeschaltet werden können.

• Nach Bedarf wird wie auf dem zweiten Foto ein zweiter Kondensator (oder mehrere) parallel zum ersten dazugeschaltet, um die Periodendauer zu verlängern. Weitere in Reihe geschaltete Spulen verlängern ebenfalls die Periodendauer, bringen allerdings Ohmschen Widerstand mit sich.

• Zuletzt werden wie auf dem dritten Foto die Messgeräte in den Schwingkreis eingebaut (Ampèremeter in Reihe, Voltmeter parallel zur Spule).

Die Spannungsquelle wird angeschaltet und der Umschalter so eingestellt, dass der Kondensator geladen werden kann.

Nachdem der Ladevorgang abgeschlossen ist, wird der Schalter umgelegt, sodass der Schwingkreis geschlossen wird.

Unmittelbar nach dem Schließen des Schwingkreises werden die Anzeigen für Stromstärke und Spannung beobachtet.

Der Versuch wird mehrmals wiederholt, ggf. mit unterschiedlichen Kapazitäten / Induktivitäten / Widerständen.

Zusatz:

Die Periodendauer / Frequenz lässt sich hier leicht mit einer Stoppuhr ermitteln (am besten sowohl für $U$, als auch für $I$) und mit dem theoretischen Wert vergleichen ($T=2\pi\sqrt{L\cdot C}$). Das Messen kann auch spielerisch mit Hilfe einer Metronom-App durchgeführt werden (siehe "Tipps und Tricks").

• Nach dem Umlegen des Schalters, wenn der Schwingkreis geschlossen wird, sieht man eine periodische Bewegung der Zeiger, deren Amplitude mit der Zeit verklingt.

• Die Schwingung ist langsamer, wenn mehrere Kondensatoren, bzw. mehrere Spulen verwendet werden, bei mehreren Spulen sinkt allerdings die Amplitude.

• Die Zeiger bewegen sich mit der gleichen Frequenz (siehe Messung mit Metronom-App), aber in der Phase um $\frac{\pi}{2}$ verschoben (tatsächlich etwas weniger wegen $R\neq0$, aber Abweichung bemerkbar ab k$\Omega$-Bereich).

• Die Schwingung im elektromagnetischen Schwingkreis lässt sich stark genug verlangsamen, dass man sie in Echtzeit beobachten kann.

• Die Schwingung klingt aufgrund des ohmschen Widerstands der Kabel / der Spule ab.

• Die Periodendauer der Schwingung hängt von der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Spule ab.

• Die Phasenverschiebung zwischen Stromstärke und Spannung in einem freien Schwingkreis beträgt $90^\circ$ und wird bei stärkerer Dämpfung geringer.

• Vor der Durchführung sollten Quellspannung (Ladespannung) und Messbereiche für $I$ und $U$ so eingestellt werden, dass die Auslenkung zu Beginn der Schwingung den Messbereich vollständig ausnutzt. So ist die beste Sichtbarkeit gewährleistet. Aufgrund der Ohmschen Widerstände kann hier für das Voltmeter nicht $U_{max}=U_{Quelle}$ angenommen werden, man muss ausprobieren!

• Die Zeiger der Messgeräte sollten mittig ausgerichtet sein. Idealerweise sollte auch die Messskale mittig ausgerichtet sein, allerdings sind hier die genauen Werte nicht entscheidend.

• Die Bewegung der Zeiger lässt sich besser vergleichen, wenn die Messgeräte übereinander statt nebeneinander stehen.

• Mathematische Zeigerdiagramme für Impedanzen gelten für erzwungene Schwingungen und sind damit nicht für den freien Schwingkreis anwendbar.

• Die Messung der Periodendauer / Frequenz kann spielerisch mit Hilfe einer Metronom-App (zB. "Metronome Beats", siehe Bild) erfolgen. Hier muss der Modus "Tap tempo" (de: "Tippen Sie das Tempo") verwendet werden und getippt werden, wenn der Zeiger zB. außen links ankommt. Diese Methode ist eine spannende Abwechslung und der/die Musiklehrer*in ist dankbar für die kleine Rhythmus-Übung :)