Sexl Physik 7, Schulbuch

| 104 Anregung des Schwingkreises – Erzeugung ungedämpfter Schwin- gungen Ähnlich wie bei einem mechanischen Pendel, das einmal angestoßen vor al- lem aufgrund der Luftreibung eine gedämpfte Schwingung ausführt, lässt der Ohm’sche Widerstand der Spule die Ladungsbewegungen im Schwingkreis all- mählich zur Ruhe kommen. Dabei wandelt sich die elektrische bzw. magnetische Energie in Wärme um. Zur Erzeugung ungedämpfter Schwingungen muss dem Schwingkreis ständig Energie von außen zugeführt werden. Experiment: Resonanzfrequenz eines Schwingkreises 104.1 Du brauchst: Frequenzgenerator, Schwingkreis ( L = 0,2 H, C = 1 µF), Oszilloskop Was ist zu tun? Baue eine Schaltung wie in 104.1 auf und miss mit dem Oszilloskop die Amplituden der Schwingkreisschwingung. Bei Veränderung der Anregungsfrequenz über den Frequenzgenerator ändert sich die Amplitude der Stromstärke am Oszilloskop. Erkläre, warum bei einer bestimmten Frequenz die Amplituden am Oszilloskop maximal werden und dann wieder absinken. Durch die angelegte Wechselspannung wird im Schwingkreis eine elektromagne- tische Schwingung erzwungen. Die Frequenz der Wechselspannung und die der elektromagnetischen Schwingung entsprechen einander. Nun wird mit dem Fre- quenzgenerator die Wechselspannung geändert. Dabei wächst die Amplitude der Stromstärke im Schwingkreis zunächst an, bis sie einen Maximalwert erreicht. Die Anregungsfrequenz ist gleich der Eigenfrequenz des Schwingkreises – es liegt Resonanz vor. Erhöht man die Frequenz der Wechselspannung weiter, so wird die Amplitude der Stromstärke wieder kleiner. Offener Schwingkreis Verändert man in einem Schwingkreis die Stellung der Kondensatorplatten, so ver- ändert sich damit die Struktur des elektrischen Feldes ( 104.2 ). Vergrößert man z. B. die Entfernung zwischen den Platten, so greifen die elektrischen Feldlinien, die zunächst im Kondensator konzentriert sind, weit in den Raum hinaus. Verkleinert man zudem noch die Flächen der Kondensatorplatten und gibt der Spu- le immer weniger Windungen, so erhöht sich die Frequenz des Schwingkreises. Im Extremfall besteht der Schwingkreis nur noch aus einem einfachen Draht. Das Magnetfeld der Spule ist dann durch das Magnetfeld eines stromdurchflossenen geraden Leiters ersetzt. Man erhält so einen offenen Schwingkreis, der als Dipol- antenne oder einfach als Dipol bezeichnet wird. Regt man den Schwingkreis an, so schwingen die Ladungen hin und her, es fließt hochfrequenter Wechselstrom. Um die Ladungsschwingungen aufrecht zu erhalten, muss ständig Energie zuge- führt werden. Die Antenne wird dafür mit einem geschlossenen Schwingkreis über das Magnetfeld des Schwingkreises „gekoppelt“ (d. h. sie werden so neben- einander gestellt, dass ihre Magnetfelder einander umschließen). Man kann nun z. B. über einen Kondensator die Eigenfrequenz des Schwingkreises so verändern, dass sie mit jener der Antenne übereinstimmt: Resonanz tritt ein. Durch Induktion entstehen in der Antenne Ladungsschwingungen ( 104.3 ). Die Stromstärke in einer Dipolantenne hängt nicht nur von ihrem zeitlichen Ver- lauf, sondern auch von der Antennenstelle ab, an der man den Strom misst. Die Stromstärke entlang der Antenne entspricht einer stehenden Welle, die wir in der Mechanik am Beispiel der Saitenschwingungen kennen gelernt haben (s. Physik 6, S. 86). An den beiden Enden der Antenne ist jeweils ein Schwingungsknoten des Stromes vorhanden und in der Mitte ein Schwingungsbauch. Der Schwingung des Dipols kann daher eine Wellenlänge λ zugeordnet werden. Sie ist gleich der dop- pelten Länge der Antenne, die deshalb auch als λ /2 -Dipol bezeichnet wird. Man kann sich nun die Ladungs- und Spannungsverteilung längs der Antenne überlegen. Zum Zeitpunkt t = 0 hat der Elektronenüberschuss in der oberen Hälfte und der Elektronenmangel in der unteren Hälfte sein Maximum erreicht. In die- sem Moment fließt kein Strom. Die Spannung am Kondensator erreicht dagegen ihren größten Wert. Die obere Antennenhälfte weist gegenüber der Mitte eine po- sitive, die untere eine negative Spannung auf, die an den Enden den maximalen Wert erreicht. Die elektrische Feldstärke erreicht ein Maximum. Oszilloskop ~ 104.1 Schaltskizze zur Messung der Reso- nanzfrequenz eines Schwingkreises 104.2 Biegt man den Kondensator des Schwingkreises auf, so treten die elektrischen Feldlinien weit in den Raum hinaus. Verringert man zugleich die Größe der Kondensatorplat- ten und die Windungszahl der Spule, so erhält man eine Dipolantenne. Darin treten beson- ders hochfrequente Schwingungen auf. Schwingkreis Dipol 104.3 Durch Resonanz regt ein Schwing- kreis die Ladungsschwingungen im Dipol an.  /2 104.4 Elektrische und magnetische Felder in der Nähe der λ /2-Antenne treten abwech- selnd auf. Ebenso wechseln Spannung und Strom in der Antenne ab. Analoge Verhältnisse treten bei der schwingenden Saite auf, wo Spannung und Bewegung alternieren. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv