Sexl Physik 7, Schulbuch

| 106 Experimente: Nachweis von elektromagnetischen Wellen (Genauere Versuchsbeschreibungen unter physikplus.oebv.at ) 106.1 Reflexion Man lässt Mikrowellen von einem Sender schräg auf einen Metallschirm fallen. Mit ei- nem Empfangsdipol sucht man jenen Winkel, unter dem maximaler Empfang gegeben ist. Dies trifft zu, wenn der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist ( 106.1 und 106.2 ). Bei senkrechtem Auftreffen auf den Schirm entstehen durch Interferenz stehende elek- tromagnetische Wellen. Mit dem Empfangsdipol kann man den Abstand der Schwin- gungsknoten (etwa 1,5 cm) feststellen. Der λ /2-Dipol sendet also tatsächlich Wellen mit einer Wellenlänge λ = 3 cm aus. Aus der bekannten Senderfrequenz f = 10 10 Hz und der Wellenlänge λ kann man die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen berechnen: c = f · λ = 10 10 Hz·0,03 m ≈ 3·10 8 m/s Diese Geschwindigkeit stimmt mit der Lichtgeschwindigkeit überein. 106.2 Polarisation Nun stellt man einen Sender und einen Empfänger einander gegenüber und dreht die Antenne des Empfängers langsam um seine Achse. Dabei wird das Signal immer schwä- cher, bis bei einer Drehung um 90° keine Welle mehr empfangen wird. Daraus kann man schließen, dass Mikrowellen linear polarisierte elektromagnetische Wellen sind. 106.3 Beugung Zum Nachweis der Beugung bringt man zwischen Sender und Empfänger ein Gitter aus parallelen Metallstäben an. Durch seitliches Verschieben des Empfängers findet man eine Reihe von Intensitätsminima und -maxima, die als Beugungserscheinungen gedeu- tet werden können. Für die Richtungen φ k , unter denen Intensitätsmaxima auftreten, gilt die aus der Optik bekannte Beziehung (s. S. 30) d ·sin φ k = k· λ (k = 0, 1, 2, …). Mit den obigen Versuchen kann gezeigt werden, dass ein λ /2 -Dipol Wellen aussen- det, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und auch andere Eigenschaften aufweisen, die wir von Lichtwellen kennen: Reflexion, Interferenz, Beugung und Polarisation. Die Übereinstimmung der Eigenschaften elektromagnetischer Wellen mit denjenigen des Lichtes legt die Vermutung nahe: Licht verhält sich wie eine elektromagnetische Welle. Diese Vermutung wird durch zahlreiche Ergebnisse der Atomphysik weiter bestä- tigt. Die Resultate von M axwell und h ertz ermöglichen somit die Aufstellung einer elektromagnetischen Lichttheorie, welche zwei zuvor völlig getrennt erscheinende Gebiete der Physik, nämlich Elektrizitätslehre und Optik, vereint. Alle optischen Erscheinungen lassen sich aus den Maxwell’schen Feldgesetzen erklären (S. 107). 5.4 Elektromagnetische Wellen übertragen Energie Wir sind umgeben von elektromagnetischen Wellen verschiedener Frequenzen, die teilweise natürlichen Ursprungs sind, teilweise vom Menschen erzeugt werden. Nur einen kleinen Ausschnitt des Spektrums, das sichtbare Licht und die Tempe- raturstrahlung, kann der Mensch über Sinnesorgane wahrnehmen. Für UV-Strah- lung, Röntgen- oder γ -Strahlung braucht er „künstliche Sinnesorgane“, so genann- te Detektoren. Im folgenden Abschnitt sollen beispielhaft Bereiche des elektromagnetischen Spektrums behandelt werden, bei denen (teilweise) die Nutzung der Energie dieser Wellen eine Rolle spielt. Mikrowellen im Haushalt Im Mikrowellenherd erzeugt ein Generator für hochfrequente Schwingungen, ein so genanntes Magnetron ( 108.1 ), elektromagnetische Wellen mit einer Wellen- länge von 12 cm . Diese werden über ein Metallrohr (Hohlleiter) zum Garraum ge- leitet. Empfänger Sender Metallplatte (Schirm) 106.1 Reflexion von Mikrowellen an Metall- flächen: Es gilt das Reflexionsgesetz. 1,5 3 4,5 6 x in cm Intensität Sender Schirm 106.2 Stehende Wellen können mit Hilfe eines Mikrowellensenders erzeugt werden. Bei senkrechtem Einfall der Mikrowellen bildet sich eine stehende Welle vor dem Metallschirm. Mit dem Empfangsdipol wird der Abstand der Intensitätsminima gemessen, woraus sich die Wellenlänge ergibt. Wie groß ist daher die Wellenlänge im abgebildeten Fall? Es wird erzählt, dass im Jahre 1946 der Amerikaner P eRcy l. s PenceR während einer technischen Testreihe in einem Labor etwas Seltsames bemerkte. Ein Erdnuss- schokoriegel in seiner Jackentasche war geschmolzen. Ähnliche Dinge waren schon anderen Mitarbeitern aufgefallen, nur Spencer wollte mehr darüber wissen. Er stellte eine Packung Popkornmais in die Nähe eines Magnetrons, woraufhin sich die explodierenden Maiskörner über das ganze Labor verteilten. Am nächsten Tag schnitt er ein Loch in die Seite eines Kochtopfes und brachte darin die Antenne an. Er legte ein rohes Ei in den Topf und schaltete das Magnetron ein. Ein neugieriger Mitarbei- ter Spencers hob den Deckel des Topfes etwas zu früh, um nach dem Ergebnis zu sehen. Das Ei explodierte und das Gesicht des Neugierigen war voll mit den heißen Resten des Eis. So entdeckte Spencer, dass man mit hochfrequenten Mikrowel- lenstrahlungen kochen kann. Aus diesem einfachen Experiment heraus entwickelte Spencer den ersten Mikrowellenherd. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv