Mathematik Abitur
Differenzialgleichungen zur Beschreibung des elektromagnetischen Schwingkreises
Lösungen der linearen Differenzialgleichung

Ein elektromagnetischer Schwingkreis ist ein geschlossener Stromkreis, in dem ein Kondensator und eine Spule (mit induktivem und ohmschem Widerstand – in der Abbildung der Übersichtlichkeit halber getrennt gezeichnet) in Reihe geschaltet sind.
Da es sich um einen geschlossenen Stromkreis ohne Spannungsquelle handelt, gilt:

(1)

Da gilt, erhält man durch Differenzieren der
Gleichung (1) folgende Differenzialgleichung:

bzw. (2)

Gleichung (2) ist eine lineare homogene Differenzialgleichung 2. Ordnung mit konstanten Koeffizienten der Form .
Als Lösungsansatz verwendet man die Exponentialfunktion , für die k zu bestimmen ist. Die Gleichung zur Bestimmung von k heißt die charakteristische Gleichung der Differenzialgleichung. Die zur Differenzialgleichung (2) gehörende charakteristische Gleichung lautet mit der Lösung (3)
Mit den Lösungen erhält man als allgemeine Lösung der Differenzialgleichung :


Demnach hängt das Lösungsverhalten vom Größenvergleich zwischen ab.

Beispiel
Es wird ein Schwingkreis betrachtet mit
Für den Fall reeller Doppellösungen in Gleichung (3) erhält man und daraus

Im Weiteren werden vier Fälle betrachtet:

Lösungen der char. Gleichung
zwei reelle Lösungen
eine reelle Doppellösung
Kreisfrequenz
keine Schwingung
keine
Schwingung
allg. Lösung der
Differenzialgl.


 
Lösungen der char. Gleichung zwei komplexe Lösungen zwei komplexe
Lösungen
Kreisfrequenz
allg. Lösung der
Differenzialgl.

Als partikuläre Lösung für ergeben sich dann:

Hinweis: Wenn und damit

Die Stromstärkeverläufe für die vier verschiedenen Widerstände sind in der Bild 1 grafisch dargestellt. Man erkennt, wie sich die wachsenden Widerstandsgrößen auf die Kurven für die zugehörigen Stromstärken auswirken.

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