Der Hertz`sche Dipol - Funktion Der Hertz`sche - unterricht-beck

Physikprotokoll vom 05.09.07
- Der Hertz`sche Dipol Funktion
Der Hertz`sche Dipol ist eine Anordnung zur Erzeugung und Ausstrahlung elektromagnetischer
Wellen von 10cm bis 10m (Fernsehen und UKW). Dabei handelt es sich um einen Metallstab, der
als Antenne fungiert.
Hertz´sche Dipol – Was ist das eigentlich?
Der elektrische Schwingkreis ist in der bisher beschriebenen Bauform nicht für
die Erzeugung elektromagnetischer Wellen geeignet. Sie können nur dann
abgestrahlt werden, wenn sie eine hohe Frequenz besitzen.
Diese erreicht man, wenn Kapazität und Induktivität nach der thomsonschen
Schwingungsgleichung möglichst klein sind.
Um die Induktivität zu verringern kann man bei der Spule die Wicklungen
„auseinanderziehen“, wodurch auch die Querschnittsfläche klein und die
Länge groß wird und erhält damit im Extremfall einen geradlinigen Leiter.
Beim Kondensator kann man die Fläche der Kondensatorplatten verkleinern
und ihren Abstand maximal vergrößern. Verändert man den Schwingkreis
nach diesen Faktoren, so bleibt ein gerader Stab übrig, der sowohl Spule als
auch Kondensator ist und welchen man wegen seiner Form als offenen
Schwingkreis oder Dipol bezeichnet.
DEFINITION:
Ein offener Schwingkreis mit kleiner Induktivität und Kapazität, in dem eine hochfrequente elektrische Schwingung stattfindet wird auch als Hertz`scher Dipol bezeichnet.
Vorgang bei der Erzeugung elektromagnetischer Wellen
Im Dipol fließt nun ein hochfrequenter elektrischer Strom, der von einem magnetischen Feld umgeben ist. Die Elektronen schwingen also zwischen den Dipolenden. Man spricht von einer hochfrequenten elektrischen Schwingung.
Durch diesen Wechselstrom tritt zeitweilig eine Anhäufung
der Elektronen an den Dipolenden auf. Diese werden also
t =0
periodisch positiv und negativ aufgeladen. Es entsteht ein
elektrisches Feld.
Beim Abbau der Ladungsdifferenz löst sich das elektrische
Feld nicht einfach auf, sondern schnürt sich ab. Der beim Ladungsabbau fließende Strom steigt an, wodurch ein stärker
werdendes Magnetfeld entsteht.
Beim maximal fließenden Strom gibt es keine getrennten Ladungen mehr. Das elektrische Feld ist vollständig abgeschnürt, bildet geschlossene Feldlinien und entfernt sich vom
Dipol. Das Magnetfeld ist maximal.
Der Strom fließt aufgrund der Induktion weiter und lädt die
Drahtenden wieder umgekehrt auf. Die abgelösten elektrischen und magnetischen Felder bleiben erhalten, auch wenn
sich wiederum neue elektrische und magnetische Felder um
den Dipol bilden. Sie entfernen sich weiter vom Dipol. Eine
elektromagnetische Welle hat sich gebildet, welche sich mit
Lichtgeschwindigkeit in den Raum ausbreitet.
t=
T
8
t=
T
4
t=
T
2
Elektrisches und magnetisches Feld haben im Raum gleichzeitig ihr Maximum und stehen
senkrecht aufeinander.
DEFINITION:
Eine elektromagnetische Welle ist somit die Ausbreitung einer elektromagnetischen Schwingung im
Raum.
Verteilung der Ladung und der Stromstärke während einer Schwingungsperiode
Im Dipol werden die Elektronen beschleunigt und abgebremst. Daraus ergibt sich eine charakteristische Verteilung von Stromstärke und Ladung längs des Dipols.
An den Enden des Dipols ist die Stromstärke null und in der
Mitte am größten. Dies liegt daran, dass in der Mitte des Dipols am meisten Elektronen fließen und deren Geschwindigkeit dort am größten ist.
Anhand des Stromes lässt sich die Überschussladungsverteilung erklären. Da in der Mitte des Dipols ein maximaler
Strom fließt, ist dort die Ladung ausgeglichen. An den Enden
dagegen ist der Strom null. Der Ladungsüberschuss ist somit
dort maximal. Da ein Ende zeitweilig positiv, das andere negativ geladen ist, sind die Vorzeichen der Überschussladungen entgegengesetzt.
Aufgrund des Wechselstroms ändern sich die Vorzeichen periodisch.
t=
t=
t=
Ablösung des elektrischen Feldes:
http://nibis.ni.schule.de/~ursula/Physik/121/Simulationen/ElWelleAni.gif
• Ausbreitung der elektromagnetischen Welle: http://www.walterfendt.de/ph14d/emwelle.htm
•
T
2
3
T
4
t =T
© Florian Meinhold, 13b
Animationen:
T
4