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Schaltungsbaukasten Wechselstrom – RLC-Kreise aufbauen

PhysikElektrizität und StromkreiseAlter 17–18

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Bauen Sie per Drag-and-drop beliebige Schaltungen aus Wechselspannungsquelle, Batterien, Leitungen, Widerständen, Glühlampen, Schaltern, Kondensatoren, Spulen und Sicherungen. Elektronen schwingen im Takt der Quelle hin und her, Lampen leuchten entsprechend der Momentanleistung; Voltmeter, Amperemeter sowie Spannungs-Zeit- und Strom-Zeit-Diagramme zeigen die Phasenverschiebung zwischen u und i an Kondensator und Spule, während Batterie, Schalter und Stoppuhr das Aufladen eines Kondensators mit der Zeitkonstante τ = RC zeigen. Nach der Simulation "Circuit Construction Kit: AC" von PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); neu geschrieben.

Lektion: Wechselstromkreise

Was sie zeigt

Ein virtueller Schaltungsbaukasten zum Thema Wechselstrom: Die Lernenden ziehen Bauteile aus dem Werkzeugkasten auf die Arbeitsfläche und verbinden freie Leitungsenden zu beliebigen Schaltungen – in Reihe, parallel, mit mehreren Quellen –, statt nur einen gedruckten Schaltplan zu betrachten. Die Schaltung wird in Echtzeit mit dem Knotenpotentialverfahren berechnet, sodass jede Anordnung korrekte Messwerte liefert.

So funktioniert es

Der Bildschirm Einführung bietet eine Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Amplitude und Frequenz, Batterien, Widerstände, Glühlampen und Schalter: Die Elektronen bewegen sich im Takt der Quelle hin und her, die Lampen flackern mit der Momentanleistung. Voltmeter, Amperemeter und zwei Zeitdiagramme besitzen Messfühler, die sich an jede Stelle der Schaltung ziehen lassen. Der Bildschirm Labor ergänzt Kondensatoren, Spulen, Sicherungen, Innenwiderstand, Leitungswiderstand und eine Stoppuhr: Legen Sie beide Diagramme an denselben Kondensator, um zu sehen, dass i der Spannung u um 90° vorauseilt, oder an eine Spule, um das Nacheilen von i zu sehen; messen Sie mit Batterie und Schalter die Zeit, bis ein Kondensator auf 63 % geladen ist (τ = RC). Ist ein Bauteil ausgewählt, stellt die Anzeige die simulierten Werte neben die Zeigerlösung: Impedanz Z = √(R² + (Z_L − Z_C)²), Amplitude I₀ = U₀/Z und Phasenverschiebung. Beispiel mit der R–L–C-Reihenschaltung (R = 10 Ω, L = 5 H, C = 0,05 F, U₀ = 10 V): Die Resonanzfrequenz beträgt f₀ = 1/(2π√(LC)) ≈ 0,32 Hz; dort erreicht der Spitzenstrom 1 A und ist in Phase mit der Spannung; bei 0,5 Hz sinkt die Amplitude auf etwa 0,73 A, und i eilt um etwa 43° nach.

Einstellbare Parameter

  • Bildschirm Einführung, Labor
  • Anfangsschaltung (Schaltungen mit Kondensator/Spule öffnen das Labor) Leere Fläche, Wechselspannung + Lampe, R–C-Reihenschaltung, R–L-Reihenschaltung, R–L–C in Reihe (Resonanz), Aufladen: Batterie + Schalter + R + C, Spule: Batterie + Schalter + Lampe + L
  • Spannungsamplitude der Wechselspannungsquelle U₀ 0–120 V
  • Frequenz der Wechselspannungsquelle 0,1–2 Hz
  • Batteriespannung 0–120 V
  • Widerstand R 0–120 Ω
  • Kapazität C 0,01–0,2 F
  • Induktivität L 0,1–10 H
  • Leitungswiderstand (Labor) 0–1 Ω/m
  • Strom darstellen als Elektronen, Technische Stromrichtung
  • Darstellung der Bauteile Realistisch, Schaltplan
  • Bauteilnamen anzeigen
  • Bauteilwerte anzeigen
  • Voltmeter anzeigen
  • Amperemeter anzeigen
  • Spannungs-Zeit-Diagramm anzeigen
  • Strom-Zeit-Diagramm anzeigen
  • Stoppuhr anzeigen (Labor)

Fragen zum Erkunden

  1. Warum flackert eine Lampe an einer Wechselspannungsquelle niedriger Frequenz in jeder Periode zweimal?
  2. Liegen beide Diagramme am selben Kondensator: Erscheint das Maximum von i vor oder nach dem Maximum von u? Und bei einer Spule?
  3. Ergeben die Spannungsamplituden an R, L und C in einer Reihenschaltung zusammen die Amplitude der Quellenspannung? Warum?

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