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Magnetisch gekoppelte Resonanzkreise

Zwei Schwingkreise mit gleicher Resonanzfrequenz besitzen auch bei schwacher Kopplung einen großen Energieaustausch. Dies war die Grundidee von Nikola Tesla (vgl. Experimente mit Tesla-Energie, S. 56), der über gekoppelte Kreise extrem hohe Resonanzspannungen erzeugte und Energie auch über relativ große Distanzen übertragen konnte.

Ordnet man zwei Schwingkreisspulen parallel an, besteht hauptsächlich eine magnetische Kopplung. Magnetfeldlinien des einen Kreises durchdringen teilweise auch den zweiten Kreis und regen diesen zu Schwingungen an. Die Schaltung nach Abb. 8.1 zeigt das Prinzip. Der zusätzliche Schwingkreis ist nicht direkt mit der Schaltung verbunden, sondern ist elektrisch vollständig isoliert. Der Grad der magnetischen Kopplung hängt stark vom Abstand ab.

Magnetisch gekoppelte Schwingkreise

Aufbau des zweiten Schwingkreises

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Beachten Sie beim Aufbau der Schaltung, dass die erste Schwingreisspule noch auf der linken Hälfte des Experimentierfeldes steht und mit Masse verbunden ist. Die rechte Spule dagegen ist wegen der Unterbrechung der Masseschiene nicht leitend verbunden. Stellen Sie die erste Spule zunächst auf ein Maximum der Helligkeit ein. Bauen Sie dann erst den zusätzlichen Resonanzkreis auf. Stimmen Sie dann den zweiten Kreis auf die Resonanzfrequenz ab. Sie erkennen, dass die LED schwächer leuchtet oder ganz erlischt. Bei Resonanzabstimmung des lose gekoppelten Kreises ist deutlich ein Minimum der Helligkeit zu erkennen. An diesem Punkt wird dem Sendekreis maximal Energie entzogen. Die vom zweiten Schwingkreis übernommene Energie wird letztlich im ohmschen Drahtwiderstand der Spule fast vollständig in Wärme umgesetzt.

Das Prinzip wird im so genannten Dipmeter verwendet, um Resonanzfrequenzen zu messen. Ein abstimmbarer Oszillator wird lose mit dem Messobjekt gekoppelt und zeigt einen maximalen Abfall (Dip) der Schwingkreisspannung im Resonanzfall. Das Dipmeter ist ein beliebtes Messgerät zum Auffinden und Einstellen von Resonanzfrequenzen.

Zusatzversuch 1: Stimmen Sie den zweiten Kreis auf Resonanz ab, sodass die LED minimale Helligkeit erreicht. Schließen Sie dann den zweiten Kreis mit einem zusätzlichen Draht kurz. Die LED erreicht wieder ihre volle Helligkeit. Hier hat man die paradoxe Situation, dass ein Kurzschluss eine Spannung ansteigen lässt. Genau nach diesem Prinzip arbeiten die neuen RFID-Systeme (Radio Frequency Identification). Eine Sendespule erzeugt ein Wechselfeld mit 13,56 MHz und induziert eine Spannung im Schwingkreis des RFID-Transponders. Die aufgefangene Energie versorgt einen Chip, der nun Daten sendet, indem er den Schwingkreis in einem zeitlich definierten Muster bedämpft. Der Sender erkennt, wann ihm Energie entzogen wird und kann so das Signal lesen.

Zusatzversuch 2: Versehen Sie den zweiten Kreis mit Koppelspule und LED. Im Resonanzfall wird die zusätzliche LED ein Helligkeitsmaximum zeigen, die erste dagegen ein Minimum. Im Extremfall kann hier der Fall auftreten, dass die erste LED am Sender-Ausgang aus ist, während die am zweiten Schwingkreis maximale Helligkeit erreicht. Ein Schwingkreis mit kleiner Spannung regt also einen anderen Schwingkreis zu einer größeren Spannung an. Im Gleichstromkreis ist etwas vergleichbares nicht bekannt, d.h. eine leere Batterie könnte niemals einen Akku mit bereits höherer Spannung aufladen. Im Wechselstromkreis kommt jedoch noch die Phasenbeziehung hinzu. Ein Schwingkreis kann von einer kleinen Spannung aus angeregt werden, wenn deren Phase um 90 Grad voreilt. Der Vorgang ist vergleichbar mit dem Anregen eines Pendels. Sie können ein Pendel mit sehr geringer Bewegung Ihrer Hand zu großen Schwingungen anregen, indem Sie Ihre Bewegung so koordinieren, dass Sie der Pendelschwingung immer um eine Viertel-Schwingung voraus sind. Genau dieser Fall kann auch bei der Anregung eines elektrischen Schwingkreises auftreten.

Nutzung der übertragenen Energie in einer zweiten LED ((T6.gif))

Die zusätzliche Koppelspule

Zusatzversuch 3: Ändern Sie den Abstand zwischen beiden Kreisen. Bis zu einem Abstand von 5 cm sollte noch ein Resonanzdip zu erkennen sein, wenn der zweite Kreis ohne LED betrieben wird. Je höher die Leerlaufgüte, desto geringer darf die Kopplung sein.

Zusatzversuch 4: Erhöhen Sie die Sendeleistung, indem Sie den Emitterwiderstand des Ausgangstransistors durch Parallelschaltung eines zweiten 470-Ohm-Widerstands halbieren.