Big Bang HTL 3, Schulbuch

Grundlagen der elektromagnetischen Wellen 7 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 71 Dadurch kommt es in der Spule zur Selbstinduktion (Kap. 5.6, S. 53), die den Stromfluss noch etwas aufrechter- hält, wodurch sich der Kondensator gegengleich auflädt (c). Und dann läuft alles wieder retour (d + a) und fängt von Neuem an. Die Ladungen schwingen hin und her. Es handelt sich also um Wechselstrom , dessen Frequenz von Spule und Kondensator abhängt. Bei der Übertragung von Ö3 wird im Raum Wien eine Frequenz von 99,9MHz verwendet, das entspricht etwa 100 Millionen Schwingungen pro Sekunde ( F14 ). Das ist 2 Millionen Mal schneller als der Wechsel- strom im Netz!!! Wenn du den Sender eines Radios ein- stellst, dann machst du nichts anderes, als die Kapazität des Kondensators und somit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern ( F12 ). Info: Schwingkreisfrequenz Experiment: Schwingkreis-Simulation -> S. 72 Aber nicht nur die Ladungen schwingen, sondern auch die Energie. Einmal befindet sich diese im elektrischen Feld (Abb. 7.18 a und c), einmal im magnetischen (b und d). Ähnlich ist es bei einem schwingenden Pendel oder einer Schaukel. Dabei wandeln sich potenzielle und kinetische Energie ineinander um. Wenn du eine Schaukel nur einmal anstupst, dann wird sie bald auspendeln, weil immer eine gewisse Menge an Energie in Form von Wärme verloren geht. Dadurch entsteht eine gedämpfte Schwingung (Abb. 7.19; siehe auch Abb. 2.17, S. 15, F13 ). Abb. 7.18: Energieumwandlungen bei Schwing- kreis und Fadenpendel Schwingkreisfrequenz Die Frequenz des Schwingkreises hängt von den Wider- ständen von Spule ( R L = ω L ) und Kondensator ( R C = 1/ ω C ) ab. Der Strom muss in beiden Bauteilen gleich groß sein, weil es sich um einen geschlossenen Stromkreis handelt. Daher muss auch die Spannung gleich groß sein: I eff = U eff ___ R = U eff ___ ω L = U eff ω C ⇒ 1 ___ ω L = ω C ω = 1 ____ √ ___ L C bzw. f = 1 ___ 2 π 1 ____ √ ___ L C Diese Gleichung nennt man die Thomson’sche Formel. Die Eigenfrequenz (beziehungsweise Resonanzfrequenz ) in einem Schwingkreis ist immer jene, bei der die Widerstände von Spule und Kondensator gleich groß sind! Der Frequenz bleibt quasi keine andere Wahl. Es ist ähnlich, wie wenn du über eine Flasche bläst. Auch hier „überlebt“ nur jene Frequenz, die zu den Abmessungen der Flasche passt, also die Resonanzfrequenz. i Wenn du aber im richtigen Zeitpunkt Energie zuführst, in- dem du am höchsten Punkt antauchst, kannst du eine unge- dämpfte Schwingung erzeugen. Beim Schwingkreis ist es vom Prinzip her genauso. Hier übernimmt das „Antauchen“ jedoch eine elektronische Schaltung. Weil die Energiezufuhr vom Schwingkreis selbst ausgelöst wird, spricht man von einer Rückkopplung. Eine solche gibt es zum Beispiel auch bei einer Pendeluhr. Dabei sorgt der Anker für die Energie- zufuhr zum richtigen Zeitpunkt. Abb. 7.19: Gedämpfte und ungedämpfte Schwingung Im Schwingkreis werden Ladungen beschleunigt, und das ist das universelle Prinzip zum Erzeugen von EM-Wellen (Kap. 7.1, S. 66). Aber ein Schwingkreis strahlt diese EM- Wellen nicht besonders gut ab. Eine wesentlich bessere Ab- strahlung ergibt sich mit Hilfe einer Antenne . Eine Antenne ist ein offener Schwingkreis (Abb. 7.20 und 7.21). Das klingt etwas seltsam, aber die Enden der Antenne wirken wie die Platten eines Kondensators, und das Magnetfeld entsteht durch den Stromfluss im Leiter. Abb. 7.20: Aus einem Schwingkreis wird ein offener Schwingkreis, also eine Antenne. Abb. 7.21: Abstrahlung von EM-Wellen mit einer Antenne: Immer wenn diese gerade elektrisch neutral ist (b), lösen sich die elektrischen Feldlinien ab. Die magnetischen Feldlinien stehen normal auf die elektrischen (c) und beide breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit von der Antenne aus. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv