Schaltkreise

RC-Laden

Abspielen — der Kondensator lädt exponentiell (τ = RC)

RC-Laden — interaktive Schaltkreise-Simulation. Abspielen — der Kondensator lädt exponentiell (τ = RC) Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.

RC-Ladevorgang

Ein Kondensator lädt exponentiell, wenn die Schaltung aktiviert wird. Zeitkonstante τ = RC.

Anfangs ist der Strom hoch; mit wachsender Ladung steigt die Kondensatorspannung und der Strom fällt gegen null.

• τ = RC
• V_C(t) = ε(1 − e^(−t/τ))

Untersuchungsbericht

Planen Sie die Frage, bevor Sie das Labor öffnen

Das Briefing entspricht der vorgerenderten Seite: Leitfrage, konkurrierende Vorhersagen, Variablenrollen, maßgebliche Gesetze, Aufbau sowie Analyse- und Erweiterungsaufgaben bleiben sichtbar und in dieser Reihenfolge.

Fahrfrage

Ein Kondensator wird über einen Widerstand von einer 10 V-Batterie aufgeladen. Steigt die Spannung konstant an oder verlangsamt sie sich, wenn sie sich der Batteriespannung nähert?

Vorhersagen zum Abwägen

• Die Spannung des Kondensators steigt mit konstanter Geschwindigkeit an, bis sie 10 V erreicht, und stoppt dann.
• Der Ladevorgang verlangsamt sich – der Kondensator nähert sich 10 V, erreicht ihn aber in endlicher Zeit nie ganz (exponentielle Annäherung).
• Die Spannung des Kondensators überschreitet 10 V, bevor sie wieder absinkt.

Variable Rollen

Was Sie eingestellt haben:

• Zeit t (s)

Was Sie messen:

• Zeitkonstante τ (s)
• Kondensatorspannung V_c (V)

Wie die Untersuchung abläuft

1. Öffnen Sie die RC-Lade-Preset und drücken Sie Zurücksetzen. R = 100 Ω, C = 0.01 F, was eine Zeitkonstante τ = RC = 1 s ergibt; die Batterie liefert 10 V.
2. Aktivieren Sie die Anzeige der Kondensatorspannung.
3. Drücken Sie „Play“ und zeichnen Sie die Spannung des Kondensators zu jedem aufgeführten Zeitpunkt auf.

Maßgebende Gleichung

RC-Zeitkonstante — τ = R·C

Die Zeitkonstante τ = RC legt die Zeitskala der exponentiellen Reaktion einer RC-Schaltung fest. Nach einem τ erreicht ein Ladekondensator etwa 63 % seiner Endspannung; Nach etwa 5τ ist es im Wesentlichen vollständig aufgeladen.

Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen

• Berechnen Sie für einen Versuch V_c = E(1 − e^(−t/τ)) mit E = 10 V, τ = 1 s. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
• Bei t = τ (1 s) erreicht der Kondensator etwa 63 % der Endspannung. Erklären Sie mithilfe der Exponentialformel, warum viel mehr Zeitkonstanten erforderlich sind, um 10 V sehr nahe zu kommen, es mathematisch jedoch nie genau erreicht wird.

Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird

• Wenn Sie die Kapazität C verdoppeln würden (wobei R gleich bleibt), würde sich auch die Zeitkonstante τ = RC verdoppeln. Würde es länger oder kürzer dauern, bis der Kondensator 63 % von 10 V erreicht? Warum dauert das Laden eines größeren Kondensators über denselben Widerstand länger?
• Der Kondensator eines Kamerablitzes lädt sich langsam (Sekunden) über einen Pfad mit hohem Widerstand auf, entlädt sich jedoch fast augenblicklich über die Blitzröhre (sehr niedriger Widerstand). Erklären Sie mit τ = RC, warum die Lade- und Entladezeiten für denselben Kondensator so unterschiedlich sein können.

• AP Physics 2 — Unit 11: Electric Circuits
• AP Physics C: Electricity and Magnetism — Unit 11: Electric Circuits
• IB Physics — B.5 Current and circuits
• General High School Physics — Electricity & DC circuits
• NGSS High School Physics — Electric current and magnetic fields

1. Willkommen beim RC-Ladevorgang
2. Abspielen drücken
3. Kondensator auswählen
4. Exponentielles Laden
5. Inspektor öffnen
6. Geschafft!

Öffnen Sie die interaktive Simulation, um die Szene aufzubauen, drücken Sie auf Play und erkunden Sie sie mit Live-Messungen und einem geführten Tutorial.

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Arbeitsblatt herunterladen →

Kondensatorladung & Zeitkonstanten