Energiebetrachtung im Schwingkreis

Ein weiterer Aspekt im LC-Schwingkreis ist die Energie. Betrachtet man den Aufbau der Schaltung, so hat man die beiden Bauteile Spule und Kondensator, welche beide eine Energie haben. In der Spule wird während der Schwingung ein magnetisches Feld, bzw. eine magnetische Energie auf- und abgebaut. Ebenso existiert im Kondensator eine sich auf- und abbauende elektrische Energie, in Form des elektrischen Feldes. Im weiteren Verlauf wird eine Formel zur Berechnung der Energie über Stromstärke, Spannung, Induktivität und Kapazität hergeleitet.

\begin{align*} &\text{für Gleichstrom:}\; W_{el}=\frac{1}{2}\cdot C\cdot U^2 \qquad &&W_{magn}=\frac{1}{2}\cdot L\cdot I^2\\ &\text{für Wechselstrom:}\; W_{el}=\frac{1}{2}\cdot C\cdot U(t)^2 \qquad &&W_{magn}=\frac{1}{2}\cdot L\cdot I(t)^2\\\\ &W_{el}=\frac{1}{2}\cdot C\cdot \hat{u}^2\cdot \cos^2(\omega\cdot t) \quad &&|\text{mit} \; u(t)=-\hat{u}\cdot\cos(\omega)\cdot t\\ &W_{magn}=\frac{1}{2}\cdot L\cdot \hat{i}^2\cdot \sin^2(\omega\cdot t)\quad &&|\text{mit}\; i(t)=\hat{i}\cdot \sin(\omega \cdot t)\\ &W_{Ges}=\frac{1}{2}\cdot C\cdot \hat{u}^2\cdot \cos^2(\omega \cdot t)+\frac{1}{2}\cdot L\cdot \hat{i}^2\cdot \sin^2(\omega\cdot t)\\\\ &\text{durch}\; X_C=\frac{\hat{u}}{\hat{i}}=\frac{1}{\omega\cdot C} \Rightarrow C=\frac{\hat{i}}{\omega \cdot \hat{u}}\\ &\text{durch}\; X_L=\frac{\hat{u}}{\hat{i}}=\omega\cdot L \Rightarrow L=\frac{\hat{u}}{\omega \cdot \hat{i}}\\ \end{align*} Einsetzen: \begin{align*} W_{Ges}&=\frac{1}{2}\cdot \frac{\hat{i}}{\omega \not{\hat{u}}}\cdot \hat{u}^{\not{2}}\cdot \cos^2(\omega \cdot t)+\frac{1}{2}\cdot \frac{\hat{u}}{\omega \cdot \not{\hat{i}}}\cdot \hat{i}^{\not{2}}\cdot \sin(\omega \cdot t)\\ &= \frac{1}{2}\cdot \frac{\hat{i}\cdot \hat{u}}{\omega}\cdot \cos^2(\omega \cdot t)+\frac{1}{2}\cdot \frac{\hat{u}\cdot \hat{i}}{\omega}\cdot \sin^2(\omega\cdot t)\\ &=\frac{1}{2}\cdot \frac{\hat{i}\cdot \hat{u}}{\omega}\left(\cos^2(\omega \cdot t+\sin^2(\omega\cdot t))\right)&&|\text{da}\; \cos^2(\omega \cdot t)+\sin^2(\omega\cdot t)=1\\ \Rightarrow W_{Ges}&=\frac{1}{2}\cdot \frac{\hat{i}\cdot \hat{u}}{\omega}\quad W_{Ges}=\frac{1}{2}\cdot L\cdot \hat{i}^2 \quad W_{Ges}=\frac{1}{2}\cdot C\cdot \hat{u}^2 \end{align*}