PhysProf - Wechselstromkreise - Phasenverschiebung - Frequenz

Fachthema: Wechselstromkreise

PhysProf - Eine Shareware zur Visualisierung physikalischer Sachverhalte aus der Naturwissenschaft mittels Simulationen und 2D-Animationen für die Schule, das Abitur, das Studium sowie für Lehrer, Ingenieure und alle die sich für Physik interessieren. Es hilft dabei, sich viele Grundlagen der Elektrotechnik verständlich zu machen.

Online-Hilfe für das Modul
zur grafischen Darstellung und interaktiven Untersuchung des Verhaltens von Strom, Spannung und Widerstand in Wechselstromkreisen.

Dieses Unterprogramm ermöglicht die Durchführung der Steuerung entsprechender Abläufe zur Echtzeit und bietet die Möglichkeit, die Einflüsse relevanter Größen interaktiv zu untersuchen.

Es unterstützt dabei ein tiefergehendes Verständnis zu diesem Themengebiet zu erlangen und kann zum Lösen vieler diesbezüglich relevanter Aufgaben eingesetzt werden.

 

Themen und Stichworte zu diesem Modul: Wechselstromkreis - Elektrischer Stromkreis - Ohmscher Widerstand - Kondensator - Spule - Wechselstrom - Spannungsquelle - Wechselspannung - Phase - Phasenverschiebung - Phasendifferenz - Phasenverschiebungswinkel - Phasenlage - Phasenänderung - Schwingungsdauer - Stromstärke - Spannung - Frequenz - Kreisfrequenz - Periode - Halbperiode - Wirkwiderstand - Induktiver Widerstand - Kapazitiver Widerstand - Sinusförmige Spannung - Sinusförmige Wechselspannung - Wechselstromwiderstand - Sinusspannung - Simulation - Scheitelwert - Stromverlauf - Spannungsverlauf - Nulldurchgang - Spitzenwert - Amplitude - Amplituden - Positive Amplitude - Negative Amplitude - Widerstände im Wechselstromkreis - Phasenwinkel - Nullphasenwinkel - Simulator - Animation - Einfluss - Einflussfaktoren - Gleichwert - Einheit - Physikalische Einheit - Berechnungsformel - Verändern - Veränderung - Ändern - Änderung - Zeigerdiagramm - Ampere - Definition - Richtung - Strom - Zeichen - Darstellung - Diagramm - Eigenschaften - Formel - Grundlagen - Periodendauer - 12 V - 24 V - 220 V - 12 - 24 - 220 - Volt - Phi - Sinusförmig - Formeln - Formelzeichen - Berechnen - Beispiel - Vorgang - Vorgänge - Was - Wie - Weshalb - Was ist - Warum - Erklärung - Beschreibung - Arbeitsblatt - Arbeitsblätter - Unterrichtsmaterial - Unterrichtsmaterialien - Lernen - Erlernen - Aufgaben - Lösungen - Gesetzmäßigkeiten - Physik - Physikalisch - Effektivwerte - Scheitelwerte - Effektivwert - Effektivspannung - Scheitelwert - Spitzenwert - Maximalwert - Gefahr - Unfall - Gefahren des elektrischen Stroms - Stromschlag - Elektrischer Strom - Stromunfall - Rechner - Bild - Grafik - Berechnung - Darstellen - Grafische Darstellung

   

Modul Wechselstromkreise

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Durch die Benutzung des Unterprogramms [Elektrotechnik] - [Wechselstromkreise] können Untersuchungen bezüglich des Verhaltens von Strom und Spannung in Wechselstromkreisen unter der Verwendung von Widerständen, Kondensatoren oder Spulen durchgeführt werden.
 

Wechselstromkreis - Widerstand
 

Wechselstromkreis - Kondensator
 

Wechselstromkreis - Spule
 

Ein Wechselstromkreis unterscheidet sich vom Gleichstromkreis vor allem dadurch, dass Spannung und Stromstärke Funktionen der Zeit sind und sich periodisch ändern. Befinden sich in einem Wechselstromkreis außer ohmschen Widerständen auch Spulen oder Kondensatoren, so erreichen Spannung und Strom nicht gleichzeitig ihre Amplitudenwerte.

Wird ein Kondensator an eine sinusförmige Wechselspannung gelegt, so erreicht der Strom sein Maximum stets früher als die Spannung. Auch der Stromverlauf ist sinusförmig und er eilt der Spannung um 90° (Phasenverschiebungswinkel = π/2) in der Phase voraus. Wird eine sinusförmige Wechselspannung an eine Spule gelegt, so hinkt der Strom der Spannung um 90° (Phasenverschiebungswinkel = π/2) nach und der Stromverlauf ist ebenfalls sinusförmig. Liegt lediglich ein Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis, so sind Strom und Spannung phasengleich.

Das Programm ermöglicht hierbei die grafische Analyse dieser Sachverhalte. Verwendete Kurzzeichen haben hierbei folgende Bedeutung:

t: Zeit [s]

T: Schwingungsdauer (Periodendauer) [s]

I: Stromstärke [A]

U: Spannung [V]

I_max: Maximale Stromstärke [A]

φ: Aktuelle Winkelposition in °

Δ φ : Phasenverschiebung in °

f: Frequenz (f = 1/T) [1/s]

w: Kreisfrequenz (ω = 2πf) [1/s]

X_R: Ohmscher Widerstand (Wirkwiderstand) [Ω]

X_L: Induktiver Widerstand (bei Spule) [Ω]

X_C: Kapazitiver Widerstand (bei Kondensator) [Ω]

Der Effektivwert einer Wechselspannung (Effektivspannung) beträgt: U_eff = U_s/√2
Der Effektivwert der Stromstärke in einem Wechselstromkreis beträgt: I_eff = I_s/√2
 
U_eff: Effektivwert einer Wechselspannung [V]
U_s: Scheitelwert(Maximalwert) einer Wechselspannung [V]
I_eff: Effektivwert einer Stromstärke [A]
I_s: Scheitelwert (Maximalwert) einer Stromstärke [A]

Der Gleichwert beschreibt den arithmetischen Mittelwert der Spannung oder des Stromes einer Wechselstromgröße über eine Periode.




Der Gleichwert einer nicht phasenverschobenen sinusförmigen Wechselgröße ist Null, da sich die von ihm eingeschlossenen Flächenbereiche unterhalb und oberhalb der Zeitachse gegenseitig aufheben.
 
t: Zeitpunkt in [s]
T: Periodendauer in [s]
 

Programmbedienung

 
Obig beschriebene Zusammenhänge können Sie in diesem Modul untersuchen. Das Programm animiert diese Gegebenheiten hierbei mit Hilfe eines Zeigerbilds. Wählen Sie zunächst durch die Auswahl des entsprechenden Kontrollschalters Widerstand, Kondensator oder Spule für welchen Fall Sie die Zusammenhänge dargestellt bekommen möchten. Stellen Sie hierauf die Werte für Widerstand X_R, den induktiven Widerstand X_L bzw. den kapazitiven Widerstand X_C sowie für die Schwingungsdauer T und die maximale Spannung U mit Hilfe der dafür vorgesehenen Rollbalken ein. Bedienen Sie hierauf den Schalter Start, so wird der Stromkreis geschlossen und die Animation der Zeiger- und Kurvenbilder wird gestartet.
 

Gefahren des elektrischen Stroms

Gefahren des elektrischen Stroms lassen sich grundsätzlich in folgende drei Bereiche einteilen:
 
- Unfälle, verursacht durch den Fluss elektrischen Stroms durch den menschlichen Körper (Durchströmungsunfall)
- Verbrennungen, verursacht durch in der Luft entstehende Lichtbögen (elektrische Durchschläge) und Funken
- Entstehung von Bränden verursacht durch Kurzschlüsse bzw. starke Erwärmung elektrischer Leitungen, oder durch die Überhitzung elektrischer Geräte

Ein Durchströmungsunfall ereignet sich dann, wenn der menschliche Körper ein Teil eines geschlossenen Stromkreises wird. Dessen Schwere hängt vom Weg des Stroms durch den Körper, dessen Stärke und seiner Einwirkzeit ab. Ab einer Wechselspannung von 50 V ist hierbei mit einem tödlichen Verlauf zu rechnen.

Sekundärunfälle entstehen durch Schreckreaktionen. Reaktionen dieser Art werden durch Reflexe und unkontrollierte Bewegungen des betroffenen Körpers ausgelöst. Im Niederspannungsbereich kommt es hierbei häufig zu einer Kontraktion der Muskulatur. Neben der Muskelverkrampfung können zudem Atemstörungen sowie Herzrhythmusstörungen (Kammerflimmern) auftreten. Im Hochspannungsbereich resultieren hierbei neben Verletzungen, verursacht durch direkten Stromdurchfluss, häufig sogenannte Lichtbogenverletzungen (Verbrennungen), die ohne einen direkten Stromdurchfluss durch den Körper zustande kommen.
 

 
Mit Hilfe dieses Programms lassen sich unter anderem Grafiken für Arbeitsblätter zur nichtkommerziellen Nutzung für Unterrichtszwecke erstellen. Beachten Sie hierbei jedoch, dass jede Art gewerblicher Nutzung dieser Grafiken und Texte untersagt ist und dass Sie zur Verfielfältigung hiermit erstellter Arbeitsblätter und Unterrichtsmaterialien eine schriftliche Genehmigung des Autors (unseres Unternehmens) benötigen.

Diese kann von einem registrierten Kunden, der im Besitz einer gültigen Softwarelizenz für das entsprechende Programm ist, bei Bedarf unter der ausdrücklichen Schilderung des beabsichtigten Verfielfältigungszwecks sowie der Angabe der Anzahl zu verfielfältigender Exemplare für das entsprechende Arbeitsblatt unter der auf der Impressum-Seite dieses Angebots angegebenen Email-Adresse eingeholt werden. Es gelten unsere AGB.
 

  
Dieses Programm eignet sich neben seinem Einsatz als Berechnungs- bzw. Animationsprogramm zudem zum Lernen, zur Aneignung entsprechenden Fachwissens, zum Verstehen sowie zum Lösen verschiedener Aufgaben zum behandelten Fachthema. Durch seine einfache interaktive Handhabbarkeit bietet es die auch Möglichkeit der Durchführung unterschiedlicher Untersuchungen hierzu.
 

Eine kleine Übersicht in Form von Bildern und kurzen Beschreibungen über einige zu den einzelnen Fachthemengebieten dieses Programms implementierte Unterprogramme finden Sie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Mechanik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Elektrotechnik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Optik - Kurzinfos zum Themengebiet Thermodynamik sowie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zu sonstigen Themengebieten.

 

 

Hilfreiche Informationen zu diesem Fachthema sind unter Wikipedia - Wechselstrom zu finden.
 

 

Nachfolgend finden Sie ein Video zu diesem Fachthema, welches Sie durch die Ausführung eines Klicks
auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.

Lissajousche Figuren - Reihen- und Parallelschaltung - Widerstände im Wechselstromkreis - Messbrücke - Widerstandsgesetz - Kondensator Ladung - Entladung - Kondensator - Kapazitäten - Plattenkondensator - Transformator - Schwingungsüberlagerung - RC-Kreis - RL-Kreis - RLC-Kreis - Resonanz
 

 

Unterprogramm Wechselstromkreise
 

 

PhysProf 1.1 - Unterprogramm RLC-Kreis
 

MathProf 5.0 - Unterprogramm Kurven in Parameterform
 

SimPlot 1.0 - Grafik-  und Animationsprogramm für unterschiedlichste Anwendungszwecke

    

Nachfolgend finden Sie ein Video zu einem in PhysProf 1.1 unter dem Themenbereich Mechanik eingebundenen Unterprogramm,welches Sie durch die Ausführung eines Klicks auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.

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Nachfolgend finden Sie ein Video zu einem in PhysProf 1.1 unter dem Themenbereich Thermodynamik eingebundenen Unterprogramm, welches Sie durch die Ausführung eines Klicks auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.

 
 

Nachfolgend finden Sie ein Video zu einer mit SimPlot 1.0 erstellten Animationsgrafik, welches Sie durch die Ausführung eines Klicks auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.

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