Informations- und Kommunikationstechnik

Der elektrische Schwingkreis

Die Funktion eines elektrischen Schwingkreises kann mit dem mechanischen Modell einer Schaukel oder eines Fadenpendels verglichen werden. Beim Pendel hängt ein Massekörper an einem gespannten Faden. Das System nimmt potenzielle Energie (Lageenergie) auf, sobald die Masse nach einer Seite ausgelenkt und dadurch angehoben wird. Nach dem Loslassen bewegt sie sich auf einem Kreissegment an ihren Ausgangspunkt zurück. Dort angekommen hat der Körper seine maximale Geschwindigkeit erreicht. Die potenzielle Energie ist am tiefsten Punkt vollständig in kinetische Energie umgewandelt worden.

Frei schwingend pendelt die Masse jetzt zur anderen Seite hoch und wandelt ihre Bewegungsenergie erneut in Lageenergie um. Das Pendel hat seine maximale Höhe erreicht, sobald alle kinetische Energie in neue potenzielle Energie umgewandelt worden ist. Der Vorgang setzt sich in umgekehrter Richtung und immer wieder fort, bis das System durch Reibungsverluste zur Ruhe kommt.

Mechanische Schwingungen entstehen durch abwechselnde Umwandlung zweier Energiearten.
Potenzielle Energie wird in kinetische Energie und wieder in potenzielle Energie überführt.

Nach dem Prinzip der gegenseitigen Energieumwandlung lassen sich elektrische Schwingungen erzeugen. Die potenzielle Energie entspricht der Energie des elektrischen Feldes. Zwischen den Belägen eines geladenen Kondensators herrscht elektrische Feldkraft, die an den Anschlüssen als elektrische Spannung gemessen werden kann.

Der zweite Energiespeicher muss die elektrische Energie der ruhenden Ladungsträger in eine gerichtete Bewegung, den elektrischen Strom durch bewegte Ladungsträger wandeln. Das geeignete Bauteil dazu ist eine Spule. Fließt elektrischer Strom durch eine Spule, so nimmt der Strom langsam zu und erzeugt ein magnetisches Feld. In dem Moment, wo die elektrische Energie des Kondensators ausgeglichen ist, und keinen weiteren Strom mehr treiben kann, ist die Energie im maximalen magnetischen Feld der Spule gespeichert.

Mit der Selbstinduktion bei Spulen sowie den Induktionsgesetzen und der Lenzschen Regel lässt sich das dynamische Prinzip der elektrischen Schwingung verstehen. Die Spule hält mit ihrem Magnetfeld den Stromfluss aufrecht und lädt den Kondensator mit umgekehrtem Vorzeichen neu auf. Die Energie des Magnetfelds wird dabei in elektrische Feldenergie zurück gewandelt. Dieser Vorgang setzt sich solange periodisch fort, bis die Energie am Wirkwiderstand des Drahtes in Wärme(verlust) umgewandelt worden ist.

Elektrische Schwingungen entstehen durch abwechselnde Umwandlung zweier Energiearten.
Elektrische Energie wird in magnetische Energie und wieder in elektrische Energie überführt.

Die folgende Animation veranschaulicht die beschriebenen Vorgänge. Der Film kann durch Anklicken der Steuerbuttons angehalten werden und die einzelnen Phasen am Schwingkreis lassen sich in 45°-Schritten vor- und zurückschalten.

0 Grad
Der Kondensator hat ein maximales elektrisches Feld. Es fließt kein Strom. Die Spule hat kein Magnetfeld.
45 Grad
Das elektrische Feld treibt einen zunehmenden Strom durch die Spule. Die Spule erzeugt ein größer werdendes Magnetfeld.
90 Grad
Das elektrische Feld ist abgebaut. Der Strom und das Magnetfeld haben ihren Maximalwert erreicht.
135 Grad
Das Magnetfeld induziert Stromfluss in gleicher Richtung, wobei es sich abbaut. Es generiert am Kondensator ein neues elektrisches Feld mit umgekehrter Polarität.
180 Grad
Das Magnetfeld und der Strom sind null. Der Kondensator hat ein neues maximales elektrisches Feld.
225 Grad
Es fließt Strom durch die Spule zurück. Ein neues umgepoltes Magnetfeld entsteht. Das elektrische Feld nimmt dabei ab.
270 Grad
Das elektrische Feld ist null. Strom und Magnetfeld haben ihr Maximum erreicht.
315 Grad
Das Magnetfeld treibt den Induktionsstrom in gleicher Richtung weiter. Der Kondensator wird erneut geladen.
360 Grad
Magnetfeld und Strom sind null. Das elektrische Feld hat einen neuen Maximalwert. Eine Periode ist durchlaufen.

Die ausführlichen Beschreibungen und Eigenschaften elektrischer Schwingkreise sind in den Kapiteln zum Parallelschwingkreis und Reihenschwingkreis zu finden.