20. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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20. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Wiederholung: Kondensator Spule Das elektr. Feld des Kondensators ist ein Energiespeicher: Werden die beiden Anschlüsse des Kondensators leitend verbunden, fließt ein Entladestrom. Anwendungen: Glättung von pulsierendem Gleichstrom, Blitzgerät, ... Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ist ein Energiespeicher:Hört der Stromfluss auf, bricht das Magnetfeld zusammen und induziert in der Spule einen Strom. Anwendungen: Zündspule, … Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 1 20.1 Elektromagnetische Schwingungen Versuch: Der LC-Schwingkreis 6V C L Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen. Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 2 LC-Schwingkreis elektrische Energie magnetische Energie magnetische Energie elektrische Energie Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 3 LC-Schwingkreis Der Kondensator entlädt sich über die Spule. In der Spule wird ein Magnetfeld aufgebaut. Ist der Kondensator entladen, bricht das Magnetfeld zusammen, wodurch eine Induktionsspannung induziert wird. Induktionsstrom fließt (Lenzsche Regel) in derselben Richtung weiter und lädt den Kondensator entgegengesetzt auf. usw. Aufgrund des Ohmschen Widerstandes der Leitungen nimmt die Schwingungsamplitude ab. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 4 Frequenz der Schwingung: Kondensator: Ieff Ueff C Spule: Ieff Ueff L Da durch beide derselbe Strom fließt, setzen wir gleich: Ueff Ueff C L 1 LC ( = 2πf) 1 f 2 L C Thomsonsche Schwingungsformel 2 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 5 Die Schwingung, die ein LC-Schwingkreis ausführt, ist gedämpft und kommt infolge der Verluste an den Leitungswiderständen zum Stillstand. Abhilfe: Rückkopplung Baue mit den Schülerübungsgeräten die folgende Rückkopplungs10k schaltung nach! 800W / 1600W 1000µF Der Schwingkreis besteht (1µF) aus dem Kondensator und (0,1µF) der Spule mit 1600 10k Windungen. Eine zweite Kopf hörer Spule mit 800 Windungen ist BD135 induktiv an die Schwingkreisspule gekoppelt. Sie hat die Aufgabe, die Basis eines Transistors anzusteuern und so im Takt des Schwingkreises den Transistor im richtigen Augenblick leitend zu machen, um die durch ohmsche Verluste "verlorene" Energie nachzuliefern. Der veränderliche Widerstand (10k) dient zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors. 6 + Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 7 + 10k 800W / 1600W 10k 1000µF (1µF) (0,1µF) Kopf hörer BD135 - Versuch 1: Verwende den Kondensator 1000µF und schalte ein Voltmeter mit 0-Punkt in der Mitte parallel zum Schwingkreis. Ergebnis: Versuch 2: Entferne das Voltmeter von vorhin und verwende den 1µFKondensator. Stecke einen Kopfhörer in die dafür vorgesehene Buchse. Verschiebe das Joch des Eisenkerns! Ergebnis: 8 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 20.2 Der Offene Schwingkreis geschlossener Schwingkreis offener Schwingkreis L sinkt C sinkt 1 f 2 LC steigt Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 2 9 Wir bezeichnen diesen offenen Schwingkreis oft auch als /2-Dipol. Die Antennenlänge ist gleich der halben Wellenlänge. Versuch: Mit einem Dezimeterwellensender untersuchen wir den λ/2 – Dipol. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 10 Feldverteilung in der Umgebung der /2-Antenne Spannung und Strom in der /2-Antenne U I U Elektromagnetische Schwingungen und Wellen I U 11 20.4 Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen Die Sendeantenne wird induktiv an den Hochfrequenzkreis gekoppelt. Empfangsantenne Sendeantenne Mit einer gleich langen Antenne, in deren Mitte sich ein Glühlämpchen befindet, empfangen wir das Signal. Maximaler Empfang, wenn die beiden Antennen ||sind. Dreht man die Empfangsantenne um 90°, erhält sie kein Signal mehr. Elm. Wellen sind linear polarisiert (Richtung des E-Vektors). Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 12 20.4.1 Rundfunk Amplitudenmodulation: NF-Signale im Tonbereich können als elm. Welle nicht abgestrahlt werden. Daher benötigen wir ein HF-Signal als Trägerwelle mit konstanter Amplitude. Das NF-Signal wird der Trägerwelle überlagert. Dieses wird nicht addiert, sondern moduliert. Dabei gibt es Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und Phasenmodulation. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 13 Radiosender Tonschwingungen HF-Schwingungen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen AM-HF-Schwingungen 14 Empfänger Modulierter HF-Strom Modulierter pusierender Gleichstrom Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Tonfrequenz verstärkt 15 Radiosender und Empfänger Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 16 Spektrum elektromagnetischer Wellen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 17 Spektrum elektromagnetischer Wellen f(Hz) Niederfrequenz (m) 10 –104 technische Wechselströme, Tonfrequenzen von Mikrophonen Langwellen 10 –10 3 4 Mittelwellen 10 –10 2 3 Kurzwellen 10 –102 Ultrakurzwellen 1–10 Fernsehen, VHF 30-300MHz, UHF 300-3000MHz –1 10 –1 –3 –1 10 –10 Mikrowellen Rundfunk Radar 10–4–10 –3 Energieübertragung Infrarot 8·10–7– LICHT 4·10 – 8·10 –7 Ultraviolett Röntgenstrahlung g -Strahlen –7 –7 – 4·10 10–14–10 Hg-Lampe –8 –10 Elektromagnetische 10–14–10 Schwingungen und Wellen 18 Braunsche Röhre Braunsche Röhre 1897 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 19 Braunsche Röhre Kathodenstrahlröhre Glühkathode Elektronenstrahl magnetisches Ablenksystem Leuchtschirm Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 20 Videokamera lichtempfindliche Schicht Ablenkspulen Elektronenstrahl Videosignal Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 21 Bildentstehung 1. Halbbild horizontaler Strahlrücksprung 2. Halbbild vertikaler Strahlrücksprung Gesamtbild Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 22 Bildsignal 100% 75% schwarz Z Z B Z 10% weiß Farbträger Bildsender Tonsender UHF 1MHz 1,25MHz 5,5MHz 0,5 8MHz Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 23 Titel: Röntgenstrahlen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 24 Wilhelm Conrad Röntgen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 25 Entdeckung Erzeugung 30kV Glühkathode Anode Wehneltzylinder Röntgenstrahlen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 26 Streuprozess Je nach Abstand zum Kern und Geschwindigkeit wird unterschiedlich stark gebremst. Bremsstrahlung mit beliebigem >min Elektron Kern relative Strahldichte E Elektron = E Röntgenphoton, max E h f 100kV 12,4pm hc hc hc min E eU 80kV 50kV 15,5pm Elektromagnetische 24,8pm Schwingungen und Wellen 35kV 20kV 27 35,4pm 61,9pm Wechselwirkungen WW1 Ionisierung Anodenatom Röntgenphoton charakteristische Röntgenstrahlung Ekin, e Ekin,e WW2 WW3 Abbremsung um Atomkern Bremsstrahlung kontinuierliche Röntgenstrahlung Ekin, e elast. Stoß m. Anodenatom Ekin, Atom Wärme Ekin, e Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 28 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 29 Max von Laue d d·cos Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 30 Röntgenaufnahmen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 31 Computertomographie CT Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 32 20.6 Maxwellsche Theorie Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 33 20.6 Maxwellsche Theorie Theoretische Überlegungen von James Clark Maxwell (1831 – 1879) ergaben für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c0 der elektromagnetischen Wellen: c0 1 0 0 c0 ... Ausbreitungsgeschwindigkeit µ0... magnetische Feldkonstante µo = 4π•10-7Vs/(Am) ε0 … elektrische Feldkonstante ε0 = 8,854187818 • 10-12 As/(Vm) Maxwell zeigte, dass elektromagnetische Wellen und Licht die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit (im leeren Raum) aufweisen. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 34 Maxwellsche Gesetze (1 und 2) v Q E Ladungen erzeugen elektrische Felder. Es gibt keine magnetischen Monopole. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 35 v Maxwellsche Gesetze (3 und 4) v v v EB B E ~ ~ Ströme erzeugen magnetische Felder. Ein veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld. d e 1. 36 M-Gl. B ds 0 0 Elektromagnetische dt Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld. d m E ds dt 2. Maxwell-Gleichung Schwingungen und Wellen Kraftgesetze v Q v v v B E v v F v v F Q. E v F v v F Q .(v B) Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 37 Merksätze (1) Ladungen erzeugen elektrische Felder. ( E – Quellenfeld) (2) Es gibt keine magnetischen Monopole. ( B – Wirbelfeld) (3) Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld. (4a) Ströme erzeugen magnetische Felder. (4b) Ein veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 38 Entstehung einer elektromagnetischen Welle Ladungen erzeugen elektrische Felder. Q I Ströme erzeugen magnetische Felder. Ein veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld. v v v v v E B E B E v v v v v B E B E B Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 39 Heinrich Hertz Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 40 Ende
