Kondensator laden und entladen
Worum geht es?
Ein speichert , aber nicht schlagartig: Über einen Widerstand geladen, nähert sich seine dem Endwert in einer charakteristischen e-Funktions-Kurve mit der Zeitkonstante . Dieses vermisst Laden und Entladen, gewinnt daraus Kapazität und gespeicherte , und stellt dann die Systemfrage des Wechselstroms: Warum sperrt der Kondensator Gleichstrom, lässt Wechselstrom aber dauerhaft passieren, und zwar umso besser, je höher die ?
Warum macht man dieses Experiment?
RC-Glieder takten Blinker, entprellen Schalter, glätten Netzteile und bilden mit dem Verhalten am Wechselstrom die Grundlage aller Frequenzfilter, vom Lautsprecher-Weichenzweig bis zum Radioempfänger. Physikalisch ist der Versuch doppelt wertvoll: Die e-Funktion wird als reales Messergebnis erlebt, und am DC/AC-Kontrast wird der Unterschied zwischen Widerstand und Reaktanz greifbar, sauber getrennt statt verwechselt.
Die physikalische Idee
Beim Laden über einen Widerstand ist der Strom anfangs groß (leerer wirkt wie ein Kurzschluss) und versiegt, je voller der Kondensator wird: Die wachsende Gegenspannung drosselt den Nachschub. Zeitmaß dieses Vorgangs ist . Am Wechselstrom kommt der Kondensator nie zum „Vollwerden“: Er wird fortlaufend umgeladen, und dieser Umladestrom fließt dauerhaft im Kreis, ohne dass je eine das Dielektrikum durchquert.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
RC-Zeitglieder gehören seit den Anfängen der Elektronik zu den meistgebauten Schaltungen überhaupt; die mathematische Beschreibung der Lade-e-Funktion geht auf die Telegrafenkabel-Analysen des 19. Jahrhunderts zurück (Thomsons Kabeltheorie von 1854), wo die RC-Trägheit der Seekabel die Signalgeschwindigkeit begrenzte.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Kapazität bestimmen
Bestimme die des Kondensators aus der gemessenen Zeitkonstante: . Vergleiche mit dem Aufdruck und beurteile, welcher Wert vertrauenswürdiger ist.
Gesucht
- — Kapazität (in )
Die Kenngröße des Bauteils, hier aus dem Zeitverhalten bestimmt statt aus dem Aufdruck geglaubt.
Gemessen
- — Zeitkonstante (in )
Aus der Entladekurve (37-%-Marke oder Halbwertszeit) abgelesen.
Bekannt
- — Widerstand (in )
Präzise bekannt (1-%-Metallschichtwiderstand): der Maßstab, an dem τ in C übersetzt wird.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die nach C umgestellte Zeitkonstanten-Beziehung: macht aus der Zeitmessung eine Kapazitätsmessung.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Bestimme aus drei unabhängigen Entladevorgängen (Zeit bis des Startwerts) und berechne daraus die . Vergleiche mit dem Aufdruck (1000 µF) und mit dessen Toleranzangabe.
2Vorbetrachtung
Die Messidee umgedreht: In den Zielsetzungen A und B war bekannt und die Vorhersage. Jetzt wird der Spieß umgedreht, denn eine Zeit lässt sich viel genauer messen als eine direkt: aus der Kurve, vom Präzisionswiderstand, dann ist . Diese Umkehrung ist dasselbe Prinzip wie beim Fadenpendel (aus und die Fallbeschleunigung): Eine gut messbare Größe trägt eine schlecht messbare.
Alternative Ablesemarke: Statt der 37-%-Marke eignet sich auch die (Zeit bis zur halben ); es gilt . Beide Marken müssen konsistente -Werte liefern: eine eingebaute Selbstkontrolle.
3Geräte / Stoffe
Aufbau der Entlade-Zielsetzung; der Widerstand sollte ein enger tolerierter Typ sein (1 %), denn seine Genauigkeit begrenzt die C-Bestimmung.
Elektrolytkondensator 1000 µF
Der Speicher: groß genug, dass Laden und Entladen im Sekundenmaßstab beobachtbar sind.
Widerstand 1 kΩ
Begrenzt den Strom und bestimmt zusammen mit C das Zeitmaß .
Gleichspannungsquelle 9 V und Umschalter
Erlauben definierten Wechsel zwischen Laden und Entladen.
Voltmeter, Amperemeter, Stoppuhr (oder Messinterface)
Erfassen die Zeitverläufe von und Strom.
Funktionsgenerator oder AC-Ausgang, Kondensator 10 µF
Für den Wechselstromteil mit einstellbarer .
4Skizze des Versuchsaufbaus
Entladekurve mit eingezeichneten Ablesemarken: 37-%-Linie und 50-%-Linie mit den zugehörigen Zeiten.
Die beiden Zeitverläufe im Überblick: Beim Laden steigt mit abflachender Kurve gegen den Endwert, beim Entladen fällt sie spiegelbildlich. Nach der Zeit sind jeweils rund des Weges geschafft.
Aufbau: Gleichspannungsquelle (9 V), Umschalter (Stellung „laden“ verbindet Quelle über den Widerstand mit dem , Stellung „entladen“ schließt den Kondensator über denselben Widerstand kurz), Elko 1000 µF, Widerstand 1 kΩ, Messwerterfassung oder Voltmeter/Amperemeter mit Stoppuhr. Für den Wechselstromteil: Funktionsgenerator bzw. AC-Ausgang, Kondensator 10 µF, Messgeräte im AC-Bereich.
5Durchführung
Schritt 1: Drei Entladevorgänge durchführen; je Durchlauf die Zeit bis (37 % von 9 V) stoppen.
Schritt 2: Zusätzlich in einem Durchlauf die Zeit bis (50 %) stoppen.
Schritt 3: Mittelwert von bilden, berechnen, Konsistenz der 50-%-Marke prüfen.
6Beobachtung
| Durchlauf | Zeit bis in |
|---|---|
| 1 | 1,05 |
| 2 | 0,98 |
| 3 | 1,00 |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
Die 50-%-Marke wurde bei durchlaufen.
7Auswertung
Schritt 1: Zeitkonstante. Mittelwert der drei Messungen:
Schritt 2: Konsistenzprüfung. Die Halbwertszeit-Marke liegt bei , und . Beide Marken liefern dasselbe , die Kurve ist wirklich exponentiell.
Schritt 3: .
Schritt 4: Vergleich. Aufdruck: mit typischer Elko-Toleranz von . Der Messwert liegt mitten im Toleranzband und ist deutlich genauer als der Aufdruck: Die Zeitmessung (wenige Prozent Unsicherheit) schlägt die Herstellerangabe.
8Fazit
Aus und folgt , konsistent über zwei Ablesemarken und genauer als der Bauteilaufdruck. Die Zeitkonstante macht die einer einfachen Zeitmessung zugänglich.
9Fehlerbetrachtung
Da ein Quotient ist, addieren sich die relativen Fehler von Zeitmessung und Widerstand:
Reaktionszeit beim Stoppen der Markeeher zufällig
- Ursache
Das Erreichen von 3,3 V muss per Auge erkannt und die Uhr gedrückt werden.
- Auswirkung
Einzelmessungen streuen um ±0,05 s (5 %); der Mittelwert dreier Läufe drückt das auf wenige Prozent.
- Verbesserung
Mehr Wiederholungen; ideal die automatische Erfassung per Interface.
Widerstandstoleranzeher systematisch
- Ursache
R ist der Maßstab der Umrechnung.
- Auswirkung
Sein relativer Fehler geht eins zu eins in C ein: mit 1-%-Widerstand unkritisch, mit 10-%-Typ dominant.
- Verbesserung
Präzisionswiderstand verwenden oder R vorab mit der U-I-Methode ausmessen.
Innenwiderstand des Voltmeterseher systematisch
- Ursache
Das Voltmeter liegt parallel zu C und entlädt mit.
- Auswirkung
Das wirksame R ist die Parallelschaltung aus 1 kΩ und Voltmeterwiderstand: Bei 10 MΩ Eingangswiderstand ein Fehler von nur 0,01 %, bei alten 100-kΩ-Geräten aber 1 %.
- Verbesserung
Hochohmiges Digitalvoltmeter verwenden; Eingangswiderstand im Protokoll notieren.
Das Wichtigste
- Laden
mit : nach sind erreicht, nach praktisch . Der Ladestrom startet bei und klingt auf null ab.
- Entladen
; der Strom fließt in Gegenrichtung (negatives Vorzeichen) und klingt ebenso ab.
- Stationär bei DC
Am geladenen idealen fließt kein Gleichstrom mehr: Für Gleichspannung ist er eine Unterbrechung.
- AC-Verhalten
Wechselspannung lädt ihn fortlaufend um: Es fließt dauerhaft Strom mit der Reaktanz ; höhere oder bedeutet kleineres , also mehr Strom. Der Strom eilt der um voraus.
- Energie
Der geladene speichert im , abrufbar als Stromstoß.