Schaltkreise

Serien-RLC

R, L und C in Reihe — der Kondensator nähert sich der Quelle

Serien-RLC — interaktive Schaltkreise-Simulation. R, L und C in Reihe — der Kondensator nähert sich der Quelle Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.

RLC-Einschwingvorgang

R, L und C in Reihe erzeugen einen gedämpften Einschwingvorgang zum stationären Zustand.

Energie wechselt zwischen Kondensator und Spule, während der Widerstand Energie dissipiert.

• ω₀ = 1/√(LC)
• Dämpfung durch R

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

Eine Serien-RLC-Schaltung kombiniert einen Widerstand, eine Induktivität und einen Kondensator. Der Wert des Widerstands bestimmt, ob die Schaltung beim Erreichen ihres Endzustands schwingt (unterdämpft) oder nicht (überdämpft). Macht ein größerer Widerstand eine Oszillation mehr oder weniger wahrscheinlich?

Vorhersagen zum Abwägen

• Ein größerer Widerstand erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Schwingung.
• Der Widerstand hat keinen Einfluss darauf, ob der Stromkreis schwingt, sondern nur darauf, wie schnell er sich einschwingt.
• Ein größerer Widerstand unterdrückt Schwingungen – mehr Widerstand bedeutet, dass pro Zyklus mehr Energie verloren geht, wodurch etwaige Schwingungen gedämpft werden.

Variable Rollen

Was Sie eingestellt haben:

• Widerstand R (Ω)

Was Sie messen:

• Resonanzfrequenz f₀ (Hz)
• Dämpfungsverhältnis ζ

Wie die Untersuchung abläuft

1. Öffnen Sie die Preset der RLC-Serie und drücken Sie Zurücksetzen. L = 1 H, C = 0.01 F sind fest; Die Batterie liefert 10 V.
2. Aktivieren Sie die Anzeige der Kondensatorspannung und des Induktorstroms.
3. Stellen Sie den Widerstandswert für jeden Versuch ein und berechnen Sie das Dämpfungsverhältnis ζ = R / (2√(L/C)).

Maßgebende Gleichung

RLC-Resonanzfrequenz — f₀ = 1 / (2π·√(L·C))

Die natürliche Schwingungsfrequenz einer Reihen-RLC-Schaltung beträgt f₀ = 1/(2π√(LC)) und wird vollständig durch die Induktivität und Kapazität bestimmt. Der Widerstand R verschiebt diese Frequenz nicht – er steuert nur, wie stark jede Schwingung gedämpft wird.

Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen

• Berechnen Sie für einen Versuch f₀ = 1/(2π√(LC)) unter Verwendung von L = 1 H, C = 0.01 F (dasselbe für jeden Versuch, da es nicht von R abhängt), dann ζ = R/(2√(L/C)). Vergleichen Sie beides mit der Tabelle.
• Der Standardwert R = 20 Ω dieser Schaltung ergibt genau ζ = 1 (kritisch gedämpft) – drücken Sie Play bei diesem Wert und beobachten Sie, wie sich die Kondensatorspannung so schnell wie möglich ohne Überschwingen 10 V nähert. Erklären Sie, was Sie stattdessen bei R = 10 Ω (ζ = 0.5, unterdämpft) erwarten würden.

Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird

• Kritisch gedämpfte Systeme (ζ = 1) werden in der Technik geschätzt – zum Beispiel Auto-Stoßdämpfer –, weil sie ohne Überschwingen oder Prellen am schnellsten ins Gleichgewicht zurückkehren. Erklären Sie, warum ein unterdämpfter Stoßdämpfer (ζ < 1) zu einer unangenehmen, federnden Fahrt führen würde.
• Die Resonanzfrequenz f₀ = 1/(2π√(LC)) hängt nur von L und C ab, überhaupt nicht von R – R steuert nur die Dämpfung. Erklären Sie, warum eine RLC-Radioabstimmschaltung L und C (nicht R) verwendet, um die Frequenz des Senders auszuwählen, auf den sie reagiert.

• 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 bei der RLC-Reihenschaltung
2. Abspielen drücken
3. Kondensator auswählen
4. Einschwingvorgang beobachten
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