Elektromagnetischer Schwingkreis

Chronologischer Ablauf der Schwingung

Elektromagnetische Schwingung

• Zunächst ist der Kondensator vollständig aufgeladen. Es herrscht ein elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten. Die Spannung $U$ ist maximal. Die gesamte Energie des Schwingkreises ist im elektrischen Feld gespeichert. ($t=0$)
• Nun entlädt sich der Kondensator und die elektrische Feldenergie führt dazu, dass ein Strom $I$ durch die Spule fließt. (Die Elektronen werden zur positiv geladenen Kondensatorplatte getrieben.) Der Strom erzeugt in der Spule ein Magnetfeld. Ist der Kondensator vollständig entladen, so wird die Spannung Null ($U=0$) und die Stromstärke $I$ erreicht ihren Maximalwert. Dabei wurde die gesamte elektrische Feldenergie des Kondensators in die magnetische Feldenergie der Spule umgewandelt. ($t=\frac{1}{4}T$, $T$ bezeichne die Periodendauer)
• Der Strom beginnt nachzulassen, wodurch sich auch der magnetische Fluss in der Spule verringert. Nach der Lenzschen Regel fließt ein Induktionsstrom, welcher der Ursache entgegenwirkt. Das heißt, dass dieser Induktionsstrom noch eine Weile in die gleiche Richtung fließt wie der anfängliche Strom. Der Strom- und damit Ladungsfluss bewirkt, dass der Kondensator nun mit umgekehrter Polung aufgeladen wird. Ist die Stromstärke $I$ auf Null abgesunken, so erreicht die Spannung $U$ am Kondensator ihren Maximalwert, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Die magnetische Feldenergie wurde nun vollständig in elektrische Feldenergie umgewandelt. ($t=\frac{1}{2}T$)
• Der Prozess vollzieht sich danach in umgekehrter Richtung. Nach der Zeit $t=\frac{3}{4}T$ hat sich wieder ein (maximales) Magnetfeld aufgebaut, jedoch in entgegengesetzter Richtung im Vergleich zum Zeitpunkt $t=\frac{1}{4}T$. Zum Zeitpunkt $t=T$ (also nach einer vollen Periode) stellt sich die Ausgangssituation ($t=0$) ein.

Strom-Spannungsverlauf

Skizziert man den Verlauf der Spannung $U(t)$ und der Stromstärke $I(t)$, so bekommt man folgendes Bild. Eine Phasenverschiebung von $\frac{\pi}{2}$ zwischen $U(t)$ und $I(t)$ ist deutlich erkennbar.

Spannungs- und Stromverlauf für eine volle Periode $T$

Elektromagnetische Schwingung und Energieerhaltung

Bemerkung- Gedämpfte Schwingung

In der Realität kann es durch einen vorhandenen Widerstand dazu kommen, dass Joulesche Wärmeverluste entstehen; also dass Energie an die Umgebung in Form von Wärme abgegeben wird. Dadurch kann die Schwingung gedämpft werden.