Über dieses Experiment
Verfolge, wie sich Ladung über einen Widerstand auf einem Kondensator ansammelt, und wechsle anschließend zu einem Entladevorgang. Vergleiche Kondensatorspannung, vorzeichenbehafteten Strom und gespeicherte Energie. Die Wiedergabe verwendet t geteilt durch RC, sodass sich kurze und lange Zeitkonstanten im gleichen visuellen Tempo untersuchen lassen; die tatsächlich verstrichene Zeit wird stets separat angezeigt.
Lernziele
- RC als charakteristische Lade- und Entladezeit interpretieren
- Kondensatorspannung und Strom während des Ladens und Entladens vergleichen
- Kapazität und Spannung mit gespeicherter Ladung und Energie in Beziehung setzen
- Verwende die 63-%- und 37-%-Regel, um eine Zeitkonstante aus einem Diagramm abzulesen
Anleitung
- 1Wechseln Sie in den Lademodus, warten Sie eine Zeitkonstante ab und vergleichen Sie die Kondensatorspannung mit der Versorgungsspannung.
- 2Verdoppeln Sie den Widerstand und vergleichen Sie die physikalische Zeitkonstante und den Anfangsstrom.
- 3Wechseln Sie in den Entlademodus. Vergleichen Sie nach einer Zeitkonstante die verbleibende Spannung mit ihrem Anfangswert.
- 4Halten Sie die Spannung konstant, verdoppeln Sie die Kapazität und vergleichen Sie gespeicherte Ladung, Energie und Zeitkonstante.
- 5Lies die Kondensatorspannung nach 1, 2, 3, 4 und 5 Zeitkonstanten ab. Welcher Anteil der Versorgungsspannung wird jeweils erreicht?
Das Modell
Annahmen
- Die Schaltung enthält einen idealen Widerstand und einen idealen Kondensator. Leitungswiderstand, Kondensatorleckstrom, Innenwiderstand und Induktivität werden vernachlässigt.
- Ein Ladevorgang beginnt mit einer Kondensatorspannung von null; ein Entladevorgang beginnt mit der ausgewählten Anfangsspannung und überbrückter Versorgung.
- Bewegte Punkte veranschaulichen schematisch den konventionellen Stromfluss in den Leitungen. Sie stellen keine Elektronen dar, die das Dielektrikum durchqueren.
- Die Wiedergabe läuft mit 0,5 Zeitkonstanten pro Sekunde weiter. Die physikalische Uhr entspricht u mal RC; sie kann von der Bildschirmzeit abweichen.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Welcher Anteil der Versorgungsspannung wird nach einer Ladezeitkonstante erreicht?
- Q2Warum hat der Entladestrom in der Anzeige ein negatives Vorzeichen?
- Q3Wie ändern sich Ladung, Energie und RC, wenn sich die Kapazität bei konstanter Spannung verdoppelt?
- Q4Ein Kamerablitz lädt einen Kondensator einige Sekunden lang auf und entlädt ihn innerhalb einer Millisekunde. Was sagt dir das über den Widerstand in den beiden Schaltungen?
- Q5Warum sagen Ingenieure oft, dass ein Kondensator nach 5 Zeitkonstanten vollständig geladen ist?
Häufig gestellte Fragen
Warum verändert eine Änderung des Widerstands nicht die normierte Spannungskurve?
Für einen idealen RC-Kreis hat die Spannung als Funktion von t/RC dieselbe exponentielle Form. Der Widerstand verändert die physikalische Zeit und den Strom, während der normierte Graph unverändert bleibt.
Fließt Strom durch das Dielektrikum des Kondensators?
Ein idealer Isolator lässt keinen Leitungsstrom hindurch. Der Strom in den äußeren Leitungen verändert die Ladung auf den Platten. Die Teilchenmarker werden im Spalt zwischen den Platten nicht angezeigt.
Ist der Kondensator jemals vollständig geladen?
Im idealen Modell nähert sich die Spannung der Versorgungsspannung immer weiter an, ohne sie zu erreichen. Nach 5 Zeitkonstanten liegt sie innerhalb von 1 % der Versorgungsspannung. Deshalb gilt 5RC als praktische Faustregel.