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Ü b e r s i c h t * Physik für den Sekundarbereich II * * 4.  Schwingungen *

T h e m e n   Grundlagen der Physik für den Sekundarbereich II  -  Klasse 12 / 13 ...   4.  Schwingungen   Mechanische Schwingungen   4.1  Beschreibung von Schwingungen   4.2  Das Federpendel - ein harmonischer Schwinger   4.3  Fadenpendel und Horizontalschwinger   4.4  Zusammenfassung   4.5  Aufgaben   Elektromagnetische Schwingungen   4.6  Elektromagnetische Schwingungen   4.7  Differentialgleichung harmonischer Schwingungen   4.8  Dämpfung und ihre Aufhebung   4.9  Deterministisches Chaos   4.10  Zusammenfassung   4.11  Aufgaben   4.12  Noch mehr: WISSEN / AUFGABEN / LÖSUNGEN ...

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Schwingung
Eine Schwingung (auch Oszillation) bezeichnet den Verlauf einer Zustandsänderung, wenn ein System auf Grund einer Störung aus dem stabilen Gleichgewicht gebracht und durch eine rücktreibende Kraft wieder in Richtung des Ausgangszustandes gezwungen wird. Grundsätzlich basiert das Schwingen eines Systems auf der periodischen Energieumwandlung zwischen zwei Energieformen. Dabei durchläuft das System wiederholt nach einem festen Zeitintervall den Ausgangszustand ... 
Beschreibung mechanischer Schwingung
Eine mechanische Schwingung ist eine zeitlich periodische Bewegung eines Körpers um eine Ruhelage. Sie kann in unterschiedlicher Weise beschrieben werden. Nachfolgend sind die wichtigsten Möglichkeiten der Beschreibung von Schwingungen dargestellt.
Beschreibung durch Schwingungsaufzeichnung
Der Verlauf von Schwingungen kann in unterschiedlicher Weise aufgezeichnet und damit sichtbar gemacht werden. Die Schwingungen von Stimmgabeln kann man z. B. mit einem Mikrofon empfangen und mit einem Oszillografen sichtbar machen (Bild 1).

Eine ähnliche Schwingungskurve erhält man, wenn man eine angeschlagene Stimmgabel mit Schreibspitze über eine berußte Glasplatte zieht.
Die Schwingungen von schweren Fadenpendeln kann man aufzeichnen, wenn man am Pendelkörper in einer Hülse einen senkrecht beweglichen Schreibstift anbringt, die Spitze des Schreibstiftes auf weißes Papier setzt und bei schwingendem Pendel das Papier gleichmäßig wegzieht.
Beschreibung durch ein y-t-Diagramm
Eine Schwingung kann man genauer beschreiben, wenn man den zeitlichen Verlauf der Auslenkung y darstellt. Man erhält dann ein y-t-Diagramm dieser Schwingung (Bild 2: Zeitlicher Verlauf einer Schwingung).

Der Kurvenverlauf entspricht den jeweiligen Schwingungszuständen. In Bild 2 ist in der Mitte ein y-t-Diagramm angegeben. Oben und unten sind die zugehörigen Schwingungszustände für einen Federschwinger und ein Fadenpendel dargestellt.

Elektromagnetische Schwingungen
Als Schwingung bezeichnet man eine zeitlich periodische Änderung einer oder mehrerer physikalischer Größen um einen bestimmten Mittelwert. Handelt es sich bei den physikalischen Größen, die sich periodisch ändern, um die Feldstärke eines elektrischen und eines magnetischen Feldes, dann spricht man von einer elektromagnetischen Schwingung. Da ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld immer ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld hervorruft, gibt es keine Schwingungen, bei denen sich ausschließlich ein elektrisches oder ausschließlich ein magnetisches Feld periodisch ändern würde.
Grundsätzlich kommt es in jedem Wechselstromkreis zu elektromagnetischen Schwingungsvorgängen. Diese sind in einem Schwingkreis besonders überschaubar. Ein Schwingkreis ist ein geschlossener Wechselstromkreis, der im einfachsten Fall aus einem Kondensator und einer Spule besteht. Der Schwingkreis wird durch Aufladung des Kondensators zu Schwingungen angeregt.
Beim Ladevorgang wird zwischen den Kondensatorplatten elektrische Feldenergie gespeichert. Nach dem Kurzschließen des Kreises setzt der Entladevorgang ein. Die Ladungsträger fließen dabei von den Kondensatorplatten ab, durchströmen die Spule und erzeugen dabei in ihr ein Magnetfeld. Wenn der Kondensator vollständig entladen ist, ist die gesamte ursprünglich im elektrischen Feld gespeicherte Energie als magnetische Energie im Spulenfeld enthalten. Sobald der Stromfluss aufhört, bricht das Spulenfeld zusammen und induziert dabei eine elektrische Spannung, die ihrerseits einen Stromfluss im Schwingkreis bewirkt und den Kondensator auflädt.
Diese Zusammenhänge sind in Bild 4 dargestellt. Dort ist auch der Verlauf der Stromstärke durch die Spule und der Spannung am Kondensator dargestellt. Insgesamt wandeln sich in einem Schwingkreis elektrische und magnetische Energie ineinander um.

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