Big Bang 7, Schulbuch

Grundlagen der elektromagnetischen Wellen 28 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen 19 Abb. 28.19: Abstrahlung von EM-Wellen mit einer Antenne. Immer wenn diese gerade elektrisch neutral ist (b), lösen sich die elektri- schen Feldlinien ab. Die magnetischen Feldlinien stehen normal auf die elektrischen (c) und beide breiten sich mit Lichtgeschwin- digkeit von der Antenne aus. In der Antenne schwingen die Ladungen mit sehr hoher Frequenz, weil L und C sehr klein sind. Weil sich die Enden der Antenne wie die Platten des Kondensators wechsel- weise unterschiedlich laden, sagt man zu ihr auch Dipol! Die Ladungen schwingen auf und ab. Das Prinzip ist also genau so wie in Abb. 28.4 (S. 15), nur dass die Beschleunigung durch die Schwingung kontinuierlich erfolgt. Dadurch ent- steht nicht nur ein Knick in den elektrischen Feldlinien, son- dern diese lösen sich von der Antenne ab und entwickeln quasi ein Eigenleben (Abb. 28.19). Natürlich muss auch eine Antenne durch Rückkopplung mit Energie versorgt werden, damit sie dauernd senden kann. Zusammenfassung Ein Schwingkreis besteht aus Spule sowie Kondensator, und er erzeugt beschleunigte Ladungen und somit EM-Wellen. Wenn man ihn aufbiegt, erhält man eine Antenne. Damit man eine ungedämpfte Schwingung erzeugen kann, muss durch einen Rückkopplungsmechanismus periodisch Ener- gie zugeführt werden. Z Grundlagen der elektromagnetischen Wellen Bei der Entstehung eines EMP durch eine Atombom- benexplosion spielt der Compton-Effekt eine Rolle. Besorge dir dazu Information aus dem Internet. L Auf welchen Frequenzen wird UKW-Radio gesendet? Nimm an, die Spule im Schwingkreis eines Radios hat eine Induktivität von 10 –4 H. Welchen Kapazitätsbereich muss dann der Kondensator haben, damit das Radio den gesamten Sendebereich empfangen kann? L Eine Möglichkeit mit einem Schwingkreis ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen, ist mit Hilfe von Kopp- lungstrafo und Transistor. Was versteht man darunter? Verschaffe dir Information aus dem Internet. L In einem Schwingkreis ist eine Spule mit 10 –4 H und ein Kondensator mit 10 –12 F. Wie hoch ist seine Frequenz? Berechne zuerst und überprüfe dann grafisch, indem du den Schnittpunkt der Widerstands- kurven mit einer Tabellenkalkulation ermittelst. L 28 F15 W2 F16 W1 F17 W2 F18 E1 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 ( F13 ). Abb. 28.17: Gedämpfte und ungedämpfte Schwingung Im Schwingkreis werden Ladungen beschleunigt, und das ist das universelle Prinzip zum Erzeugen von EM-Wellen (Kap. 28.1, S. 15). Aber ein Schwingkreis strahlt diese EM-Wellen nicht besonders gut ab. Eine wesentlich bessere Abstrahlung ergibt sich mit Hilfe einer Antenne. Eine Anten- ne ist ein offener Schwingkreis (Abb. 28.18). 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. 28.18: Aus einem Schwingkreis wird ein offener Schwingkreis, also eine Antenne. Schwingkreisfrequenz Die Frequenz des Schwingkreises hängt von den Wider- ständen von Spule ( R L = ω L ) und Kondensator ( R C = 1/ ω C ) ab. Spannung und Strom müssen in beiden Bauteilen gleich groß sein, weil es sich um einen geschlossenen Stromkreis handelt. I eff = U eff ___ R = U eff ___ ω L = U eff ω C ⇒ 1 ___ ω L = ω C ω = 1 ___ √ LC bzw. f = 1 __ 2 π 1 ___ √ LC Diese Gleichung nennt man die Thomson’sche Formel. Die Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) in einem Schwingkreis ist immer jene, bei der die Widerstände von Spule und Kon- densator gleich groß sind (siehe F18 )! 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 Reso- nanzfrequenz. i Nur zu Prüfzwec en – Eigentum des Verlags öbv