Sexl Physik 7, Schulbuch

111 | 5.5 Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen Die technische Entwicklung auf dem Gebiet der Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Informationen hat im Laufe des 20. Jahrhunderts das mensch- liche Leben grundlegend verändert. Ein wesentliches Ziel dabei war und ist, die Übertragungskapazität zu erhöhen, d. h. immer größere Informationsmengen in immer kürzerer Zeit zu übertragen. Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurden schriftliche Nachrichten (z. B. für Nachrichtenagenturen), Börsenkurse und militärische Informationen mit dem elektrischen Telegrafen übertragen. Die Kodierung erfolgte mittels des von S aMuel M orSe erfundenen Alphabets, zur Übertragung des elektrischen Stroms dienten Eisenbahnschienen. Das um 1880 von G rahaM B ell erfundene Telefon löste den Telegrafen zunächst nur im Nahbereich ab. Erst als es gelang, die Stromsignale zu verstärken, wurden Fernverbindungen möglich. Die erste drahtlose Nachrichten- übermittlung gelang dem Italiener G uGlielMo M arconi ( 111.1 ), der 1901 erstmals Radiosignale von England in die USA sendete. 1920 begann in den USA die erste Rundfunkstation ein regelmäßiges Programm auszustrahlen. Von den Anfängen der Informationsübertragung bis heute hat sich die dazugehöri- ge Technik ständig und sehr schnell verändert. Statt analoger gibt es nun digitale Übertragungstechnik, d. h. die Daten für die Übertragung (bzw. auch Speicherung) werden binär kodiert. Die Übertragung erfolgt entweder über Glasfaser- und Kup- ferkabel oder über Richtfunk (Gigaherz-Bereich). Letztere werden über Satelliten und/oder über stationäre Sendestationen gesendet. Die Datenmengen, die so über- tragen werden können, sind sehr groß. Damit haben sich die Möglichkeiten der Über- tragung von Rundfunk, Fernsehen und (mobilem) Internet wesentlich verbessert. In den folgenden Abschnitten wird beispielhaft auf die Übertragung großer Datenmengen (Informationen) mit Hilfe elektromagnetischer Wellen eingegangen. Experiment: Sendung und Empfang von elektromagnetischen Wellen 111.1 Verwende eine Sende- und Empfangsanlage wie sie in 111.2 schematisch dar- gestellt ist. Ein Lämpchen (1 V/0,01 A) in der Empfangsantenne zeigt die in der Anten- ne induzierten Ströme an. Verändere zuerst den Abstand zwischen Sender und Emp- fänger. Was passiert? Nimm nun ein ausgeschaltetes Handy und halte es neben einen Empfangsdipol, an dem ein Lämpchen angebracht ist. Schalte das Handy ein und beob- achte die Lampe. Versuche deine Beobachtungen zu erklären. (Genauere Versuchbeschreibung unter physikplus.oebv.at ) Rundfunk (Radio) Zur Übertragung von akustischen Signalen verwendet man üblicherweise elek- tromagnetische Wellen mit Frequenzen, die im Bereich zwischen 100 kHz und 100 MHz liegen. Ein Hochfrequenzgenerator erzeugt diese Schwingungen, die ei- ner auf Resonanz abgestimmten Sendeantenne zugeführt werden. Die Elektronen in der Antenne werden durch das Feld beschleunigt, und es entstehen hochfre- quente Wechselströme. Diese verursachen ein elektromagnetisches Feld, das sich als elektromagnetische Welle im Raum ausbreitet. Zur Übertragung von Information mit einem Rundfunksender ist es notwendig, die gleichmäßige, hochfrequente elektromagnetische Welle, die der Sender abstrahlt, so zu beeinflussen, dass sie zum Träger der Information wird, d. h. die Trägerwel- le wird moduliert . Dabei kann man entweder die Amplitude der Welle ( Amplitu- denmodulation = AM) oder die Frequenz des Senders ( Frequenzmodulation = FM) verändern (siehe 111.3 ). Wir konzentrieren uns bei der folgenden Beschreibung auf die Amplitudenmodulation. Ein Schwingkreis erzeugt die hochfrequente Trägerwelle des Senders. Die nieder- frequente Wechselspannung, die man am Ausgang des Mikrofons erhält, moduliert diese Welle, d. h. die Amplitude der Hochfrequenzschwingung wird im Rhythmus der Tonsignale verändert. Diese „amplitudenmodulierte Schwingung“ wird nach entsprechender Verstärkung der Sendeantenne zugeführt und ausgestrahlt. 111.1 g uglielMo M aRconi (1874–1937) konnte bereits 1896 elektromagnetische Wel- len auf eine Entfernung von einigen hundert Kilometern übertragen und schuf damit die Grundlagen des modernen Nachrichten- wesens. Sein Empfänger bestand aus einer mit Metallpulver gefüllten Röhre. Ihr Widerstand änderte sich beim Auftreffen elektromagneti- scher Wellen. Sender Empfänger 111.2 Eine Lampe dient als Messinstrument. Die Ladungen im Empfangsdipol werden durch das Wechselfeld des Sendedipols beschleunigt und zum Schwingen angeregt. Der Empfangs- dipol verhält sich wie eine Antenne. Zeit t Sinusträger Tonfrequenzsignal Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Zeit t Zeit t Zeit t 111.3 Amplituden- bzw. Frequenzmodulation einer hochfrequenten Trägerwelle mit einem niederfrequenten Signal. Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv