Sexl Physik 7, Schulbuch

Experiment: Resonanzfrequenz eines Schwingkreises 37.1 E 1 Du brauchst: Frequenzgenerator, Schwingkreis ( L = 0,2 H, C = 1 µ F), Oszilloskop Baue eine Schaltung wie in 37.1 auf und miss mit dem Oszilloskop die Amplitu- den der Schwingkreisschwingung. Bei Veränderung der Anregungsfrequenz über den Frequenzgenerator ändert sich die Amplitude der Stromstärke am Oszilloskop. Erkläre, warum bei einer bestimmten Frequenz die Amplituden am Oszilloskop maximal werden und dann wieder absinken. Durch die angelegte Wechselspannung wird im Schwingkreis eine elektromagne- tische Schwingung erzwungen. Die Frequenz der Wechselspannung und die der elektromagnetischen Schwingung entsprechen einander. Nun wird mit dem Fre- quenzgenerator die Wechselspannung geändert. Dabei wächst die Amplitude der Stromstärke im Schwingkreis zunächst an, bis sie einen Maximalwert erreicht. Die Anregungsfrequenz ist gleich der Eigenfrequenz des Schwingkreises – es liegt Resonanz vor. Erhöht man die Frequenz der Wechselspannung weiter, so wird die Amplitude der Stromstärke wieder kleiner siehe auch (physikplus.oebv.at) . Offener Schwingkreis Verändert man in einem Schwingkreis die Stellung der Kondensatorplatten, so ver- ändert sich damit die Struktur des elektrischen Feldes ( 37.2 ). Vergrößert man z. B. die Entfernung zwischen den Platten, so greifen die elektrischen Feldlinien, die zunächst im Kondensator konzentriert sind, weit in den Raum hinaus. Verkleinert man zudem noch die Flächen der Kondensatorplatten und gibt der Spu- le immer weniger Windungen, so erhöht sich die Frequenz des Schwingkreises. Im Extremfall besteht der Schwingkreis nur noch aus einem einfachen Draht. Das Magnetfeld der Spule ist dann durch das Magnetfeld eines stromdurchflossenen geraden Leiters ersetzt. Man erhält so einen offenen Schwingkreis, der als Dipol- antenne oder einfach als Dipol bezeichnet wird. Regt man den Schwingkreis an, so schwingen die Ladungen hin und her, es fließt hochfrequenter Wechselstrom. Um die Ladungsschwingungen aufrecht zu erhalten, muss ständig Energie zuge- führt werden. Die Antenne wird dafür mit einem geschlossenen Schwingkreis über das Magnetfeld des Schwingkreises „gekoppelt“ (d. h. sie werden so nebeneinander gestellt, dass ihre Magnetfelder einander umschließen). Man kann nun z. B. über einen Kondensator die Eigenfrequenz des Schwingkreises so verändern, dass sie mit jener der Antenne übereinstimmt: Resonanz tritt ein. Durch Induktion entste- hen in der Antenne Ladungsschwingungen ( 37.3 ). Die Stromstärke in einer Dipolantenne ist nicht nur zeitlich veränderlich, sondern hängt auch von der Stelle ab, an der man den Strom misst. Die Stromstärke ent- lang der Antenne entspricht einer stehenden Welle, die wir in der Mechanik am Beispiel der Saitenschwingungen kennen gelernt haben (s. Physik 6, S. 46 und 58). An den beiden Enden der Antenne ist jeweils ein Schwingungsknoten des Stromes vorhanden und in der Mitte ein Schwingungsbauch. Der Schwingung des Dipols kann daher eine Wellenlänge λ zugeordnet werden. Sie ist gleich der doppelten Länge der Antenne, die deshalb auch als λ /2 -Dipol bezeichnet wird. Wie sieht nun die Ladungs- und Spannungsverteilung längs der Antenne aus? Zum Zeitpunkt t = 0 hat der Elektronenüberschuss in der oberen Hälfte und der Elektro- nenmangel in der unteren Hälfte sein Maximum erreicht. In diesem Moment fließt kein Strom. Die Spannung am Kondensator erreicht dagegen ihren größten Wert. Die obere Antennenhälfte weist gegenüber der Mitte eine positive, die untere eine negative Spannung auf, die an den Enden den maximalen Wert erreicht. Die elekt- rische Feldstärke erreicht ein Maximum. 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 wieder eine hohe Spannung, und in ihrer Umgebung tritt ein elektrisches Feld auf. Nun beginnt Strom in umgekehrter Richtung zu fließen, usw. Oszilloskop ~ 37.1 Schaltskizze zur Messung der Reso- nanzfrequenz eines Schwingkreises 37.2 Biegt man den Kondensator des Schwingkreises auf, so treten die elektrischen Feldlinien weit in den Raum hinaus. Verringert man zugleich die Größe der Kondensator- platten und die Windungszahl der Spule, so erhält man eine Dipolantenne. Darin treten besonders hochfrequente Schwingungen auf. Schwingkreis Dipol 37.3 Durch Resonanz regt ein Schwingkreis die Ladungsschwingungen im Dipol an. 37.4 Elektrische (blau) und magnetische (rot) Felder in der Nähe der λ /2-Antenne treten abwechselnd auf. Ebenso wechseln Spannung und Strom in der Antenne ab. Analoge Verhält- nisse treten bei der schwingenden Saite auf, wo Spannung und Bewegung alternieren.  /2 37 | ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN Nur zu Prüfz ecken – Eigentum des Verlags öbv