Sexl Physik 7, Schulbuch

105 | E B  105.1 Schwingende Elektronen in einem Dipol (Sendeantenne) rufen eine elektromagneti- sche Welle hervor. Hier sind die beiden Felder nicht durch Feldlinien dargestellt, sondern durch Pfeile, welche die Feldstärke in verschie- denen Punkten angeben. 105.2 Durch schwingende Ladungen erzeugte elektrische und magnetische Felder lösen sich vom Dipol ab. Beschleunigte Ladun- gen erzeugen veränderliche elektromagneti- sche Felder, die sich wie Wellen mit Lichtge- schwindigkeit im Raum ausbreiten. 105.3 h einRich h eRtz (1857–1894) studierte Physik bei Hermann von Helmholtz in Berlin. Als Professor an der Universität Karlsruhe gelang ihm im Jahr 1886 der experimentelle Nachweis der von Maxwell vorhergesagten elektromagnetischen Wellen. 105.4 Heinrich Hertz entdeckte im Jahre 1886 mit diesen Instrumenten die elektromag- netischen Wellen. Der Strom beginnt zu fließen und Ladungsausgleich tritt ein. Das elektrische Feld in der Antennenumgebung bricht zusammen und ein Magnetfeld tritt auf, das in der Antennenmitte am stärksten ist, da dort der Strom seinen größten Wert er- reicht. Durch den Stromfluss wird die Ladungsverteilung allmählich umgekehrt. Die obere Hälfte der Antenne ist nun negativ, die untere Hälfte positiv geladen. An der Antenne liegt nun wieder eine hohe Spannung, und in ihrer Umgebung tritt ein elektrisches Feld auf. Nun beginnt Strom in umgekehrter Richtung zu fließen, usw. Untersuche, überlege, forsche: -Dipol 105.1 Die Schwingungsvorgänge in der Antenne entsprechen den Saitenschwingungen, die wir in der Mechanik kennen gelernt haben. Vergleiche die beiden Schwingungsvor- gänge und beschreibe ihre Analogien mit den jeweiligen Fachbegriffen. 5.2 Entstehung elektromagnetischer Wellen Wie verursachen die im Dipol schwingenden Ladungen und ihre Felder die Ab- strahlung elektromagnetischer Wellen? Regt man in einem offenen Schwingkreis (Dipol) elektromagnetische Schwingun- gen an, so entstehen elektrische und magnetische Felder, die sich ständig ändern. Diese Feldänderungen breiten sich wie „Schockwellen“ mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. Beschleunigte Ladungen erzeugen daher vom Dipol abgelöste elek- tromagnetische Wellen. Ihre Entstehung erklärt sich über die Veränderung des elektrischen Feldes, die zu einem veränderlichen Magnetfeld führt. Veränderliche Magnetfelder rufen wiederum veränderliche elektrische Felder hervor usw. Vom Dipol löst sich eine Kette elektrischer und magnetischer Felder und breitet sich im Raum aus. Die Felder sind auch dann noch vorhanden und breiten sich wei- terhin aus, wenn der Sender schon lange abgeschaltet wurde. Im Bereich einer „Schockwelle“ ist die Dichte der Feldlinien besonders hoch, also die Feldstärke groß. 105.2 zeigt, dass die elektrischen Feldlinien am dichtesten in der Richtung senkrecht zum Dipol liegen und der elektrische Feldvektor senk- recht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht. Elektromagnetische Wellen sind daher Transversalwellen, welche sich ohne Medium im Raum ausbreiten können. (Dies gilt genau genommen nur für das so genannte „Fernfeld“, also nicht in der unmittelbaren Nähe des Dipols.) Damit kann auch erklärt werden, warum Dipole vorwiegend senkrecht zur Dipol- achse abstrahlen: Das mit Lichtgeschwindigkeit nach außen laufende veränderli- che elektrische Feld ist nach dem zweiten Maxwell’schen Feldgesetz (siehe Sei- te 107) von veränderlichen magnetischen Feldlinien umgeben. Sie stehen senkrecht zum elektrischen Feld und zur Ausbreitungsrichtung. Beschleunigte Ladungen erzeugen veränderliche elektromagnetische Felder, die sich wie Wellen mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten. 5.3 Nachweis elektromagnetischer Wellen h einrich h ertz ( 105.3 ) hatte sich das Ziel gesetzt, die von Maxwell vorherge- sagten elektromagnetischen Wellen zu finden. Der von ihm gebaute Schwingkreis ( 105.4 ) besteht aus der Sekundärspule eines Transformators und den Kugeln als Kondensator. Ein- und Ausschalten des Stroms im Primärkreis führt zu Hochspan- nungspulsen im Sekundärkreis, der die Kondensatorkugeln lädt. Es entsteht eine Ladungsschwingung und ein oszillierendes elektrisches Feld zwischen den beiden Kondensatorkugeln, das sich als Welle ausbreitet. Nachgewiesen wurden die elek- tromagnetischen Wellen mit einem geraden Metallstab mit einer Lücke in der Mit- te – der dort auftretende Funke zeigte eine hohe Spannung zwischen den Anten- nenhälften an. Hertz konnte die wesentlichen Eigenschaften transversaler Wellen nachweisen: Reflexion , Polarisation und Beugung . Heute kann man die Hertz’schen Experimente mit einem kleinen Sender wiederho- len, bei dem ein λ /2 -Dipol Wellen mit einer Länge von 3 cm (Mikrowellen) aussen- det. Diese Wellen können mit einem Empfangsteil registriert werden. N r zu Prüfzwecken – Eigentum des Ve lags öbv