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Beobachtungen:

Resonanz-Phase

4. Leiterschleife mit Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung

Bei einem schleifenförmigen Umlauf ist eine Richtungsinformation spürbar.

Abb. 01:
Beim Umlauf des Mediums entsteht eine Richtungsinformation (linksdrehend oder rechtsdrehend).
Sie hängt von der Fließrichtung bzw. von der Geometrie des Umlaufs ab.
Dieses Beobachtung gilt bei Wasser, Gas, Licht und elektrischem Strom.

aus bbewegte-materie.htm#05-02-01
Abb. 05-02-01: Lichtleiter, Wasserschlauch und stromdurchflossener Draht erzeugen ähnliche spürbare Strukturen (FB)

Abb. 02: abwechselnde Richtung des Umslaufs.

aus bbewegte-materie.htm#kapitel-04-01
Abb. 04-06: Ein Mäander aus dem dünnen Kunststoffschlauch.
In einer Rechtsschleife ist die spürbare Qualität anders als in einer Linksschleife. (FB)

Abb. 03: rechter und linker Umlauf des Mediums, benachbart (Wasser)

aus wasser-ader.htm
Abb. 02-09: "Wasseraderkreuzung" mit drei Schläuchen übereinander. (FB)

3. Schwingkreis

Abb. 03-01: Schwingkreis nach D. Aschoff, links vorne ein Kondensator mit 1 uF, rechts zwei in Reihe geschaltete Spulen mit Ferritkern. Die verbindende Drähte bilden eine großflächige Leiterschleife. (FB)

Abb. 03-02: etwa 20cm x 20 cm groß (FB)

Abb. 03-03: Jede der beiden Spulen ist mit Kupferdraht (mit Seide umsponnen) gewickelt, in der Bohrung ist ein Ferritkern. Die eine Spule ist links, die andere rechtsgängig. (FB)

Resonanzfrequenz für idealen Schwingkreis: f = 1/(2pi) /Wurzel(LC))
Mit einem Kondensator 1 uF und f = 5450 Hz ergibt sich für die Induktivität der Spulen

L= 1/ f² /4pi²/C

Omega =	2 * Pi * Frequenz
Omega =	1 / Wurzel (LC)
LC =	1 / Omega²
L =	1 / C / Omega²

Frequenz	5450	Hz
Capazität C	1.00E-06	Farad
Omega	34243.4	Hz

	1/(capomegomeg)
L	0.0008528	also 0,8 mH

Somit 0,4 mH für jede Spulenhälfte.

Abb. 03-05: Parallel-Schwingkreis, Kondensator und Induktivität.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5a/Schwingkreis.svg

Abb. 03-06: Bei Schwingungen wechselt die Energie ständig vom Kondensator C zur Induktivität L und wieder zurück. Dazu gehören ein Wechselstrom I (rot) und eine Wechselspannung U (blau).
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/LC_circuit_4_times_new_version.svg

Abb. 03-07: Strom I (rot) und Spannung U (blau) haben nicht gleichzeitig ihren Maximalwert, sie sind nicht in Phase.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Sine_cosine_one_period.svg

4. Leiterschleife mit Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung

Durch eine Leiterschleife aus Kupfer (Abb. 04-06) fließt ein Wechselstrom, bei dem die Phase zwischen Strom und Spannung einstellbar ist.
Hierzu ist die Schleife in Reihe mit einem Parallel-Schwingkreis geschaltet (Abb. 04-02). Der Stromkreis wird mit einer sinusförmigen Spannung aus einem Frequenzgenerator betrieben.

Abb. 04-01: von links: Frequenzgenerator, Oszillograph, Parallelschwingkreis und Leiterschleife.
Über die Frequenz läßt sich die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung einstellen (rot)

Beim Wechselstromwiderstand des Schwingkreises überwiegt oberhalb der Resonanzfrequenz die Eigenschaft von dessen Kapazität und unterhalb die der Induktivität. Oberhalb eilt der Strom der Spannung vorher (kapazitiver Widerstand), unterhalb der Strom der Spannung hinterher (induktiver Widerstand). Bei der Resonanzfrequenz heben sich die Wirkung von Kapazität und Induktivität auf, der Kreis wirkt dann als Ohmscher Widerstand.

Wenn man nun die Generatorfrequenz im Bereich um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises herum verändert, läßt sich sowohl eine vor- als auch eine hinterher-eilende Phase zwischen Strom und Spannung leicht einstellen.

Beobachtung:

Die spürbaren Eigenschaften der Leiterschleife hängen vom Vorzeichen der Phasenverschiebung ab.
Sie unterscheiden sich auf beiden Seiten der Leiterschleife.

Es wurden drei Bedingungen beim Generator eingestellt:

    a) Strom eilt der Spannung voraus,        bei f = 6100 Hz
    b) Strom hat die gleiche Phase wie die Spannung,   bei f = 5450 Hz (Resonanzfrequenz)
    c) Strom eilt der Spannung hinterher.               bei f = 4860 Hz

und zwei Bedingungen bei der Leiterschleife: Vorderseite (V) oder Rückseite (R) zeigt zum Beobachter.

Beobachtung:

spürbarer Eindruck des Beobachters	a) Phasenverschiebung Strom voraus	b) keine Phasenverschiebung	c) Phasenverchiebung Strom hinterher
Vorderseite (V)	"warm"	nichts	"kalt"
Rückseite (R)	"kalt"	nichts	"warm"

Fazit:
Vertauschen des Vorzeichens der Phasenverschiebung hat die gleiche Wirkung wie ein Seitenwechsel bei der Leiterschleife.
Daraus folgt, daß die Phasenverschiebung dem Wechselstrom eine "Richtungsinformation" gibt.
Der Umlauf innerhalb der Schleife kann dann wie beim Gleichstrom von der einen Seite aus gesehen als rechts- und von der anderen Seite aus als linksdrehend bezeichnet werden. Umpolen oder Seitenwechsel des Betrachters ändert die Umlaufrichtung.
Ein geeigneter Beobachter kann dann zwischen "rechts- und linksdrehend" unterscheiden.

Beobachtung:
Für den Leiterschleife in dem Kunststoffkasten gilt es entsprechend.: Ober- und Unterseite verhalten sich in der spürbaren Qualität unterschiedlich. Die Qualitäten sind zu beiden Seiten der Resonanzfrequenz jeweils zueinander komplementär.

Abb. 04-01a:
links:   Frequenzgenerator,
Mitte: Widerstand 10 Ohm,
          Zweikanal-Oszillograph (linker Kanal für Spannung und rechter Kanal für Strom
             als Spannungsabfall am Widerstand,
rechts: Schwingkreis (FB)

Abb. 04-02: Frequenzgenerator (links), Oszillograph (rechts), Widerstandsdekade und Schwingkreis.
Der Oszillograph wird über den Synchronausgang des Generators getriggert (rechtes BNC-Kabel). (FB)

Abb. 04-03: Spannung (oben) und Strom (unten), f = 6100 Hz
Der Strom eilt der Spannung voraus (kapazitiver Widerstand). (a) (FB)

Abb. 04-04: Spannung (oben) und Strom (unten), f = 5450 Hz
Strom und Spannung sind in Phase (Ohmscher Widerstand). (b) (FB)

Abb. 04-05: Spannung (oben) und Strom (unten), f = 4860 Hz
Der Strom eilt der Spannung hinterher (induktiver Widerstand). (c) (FB)

Abb. 04-06: Leiterschleife Vorderseite (V) , roter Anschluß unten (FB)

Abb. 04-07: Leiterschleife Rückseite (R) , roter Anschluß oben (FB)

Literatur: b-literatur.htm