EM-Wellen 02 (Mikrowellen)

6.2.2 Mikrowellen
Im vorangegangen Kapitel wurde die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, wie sie im Rundfunk verwendet werden, mit Hilfe eines Hertzschen Dipols erklärt. Da Radiowellen eine relativ große
Wellenlänge besitzen, eignen sie sich nicht für weitere physikalische Untersuchungen im Labor.
Die weitere Untersuchung von elektromagnetischen Wellen findet deshalb in einem anderen
Wellenlängenbereich statt. Besonders gut eignen sich hierzu Mikrowellen mit Wellenlängen im
Zentimeterbereich.
In den nachfolgenden Experimenten wird ein Generator zur Erzeugung von Mikrowellen mit einer
Frequenz von etwa
verwendet. Dies entspricht einer Wellenlänge von ca.
. Die Mikrowellen werden mit einem Hochfrequenz Oszillator erzeugt, in dem Elektronen mit einer sehr hohen
Frequenz in Schwingung versetzt werden und dabei analog zum Hertzschen Dipol elektromagnetische Wellen abstrahlen. Die Mikrowellen werden über eine Hornantenne in die gewünschte
Richtung abgestrahlt.
Zur Messung von Mikrowellen kann ein zweiter HF-Oszillator, der ebenfalls in einer Hornantenne
eingebaut ist verwendet werden. Die Hornantenne bündelt eintreffende Mikrowellen in Richtung des
Oszillators. In diesem werden die Elektronen durch das elektrische Feld der auftreffenden Wellen in
Schwingung versetzt. Auf diese Weise wird ein hochfrequenter Wechselstrom induziert der mit
einem Amperemeter gemessen werden kann.
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Experiment 1: „Reflexion von Mikrowellen“
Der Mikrowellensender wird unter einem bestimmten Winkel (Einfallswinkel ) in Richtung einer
Metallplatte ausgerichtet. Mit dem Empfänger kann beobachtet werden, dass die Mikrowellen an
der Metallplatte reflektiert werden. Der Reflexionswinkel (Ausfallswinkel ) entspricht dabei gerade
dem Einfallswinkel.
Wird der Einfallswinkel vergrößert, so vergrößert sich auch der Reflexionswinkel und umgekehrt. Wie
bereits von mechanischen Wellen bekannt ist, gilt auch hier das Reflexionsgesetz:
Experiment 2: „Brechung von Mikrowellen“
In der Mechanik werden Wasserwellen beim Übergang von tiefem in flaches Wasser gebrochen, da
die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im flachen Wasser kleiner ist als in tiefem Wasser.
Hierdurch ändert die Welle an der Grenzfläche zwischen tiefem und flachen Wasser ihre
Ausbreitungsrichtung (Huygensches Prinzip). Treffen Mikrowellen auf ein anderes Medium so ist der
gleiche Effekt zu beobachten.
Im Experiment treffen Mikrowellen auf ein für Mikrowellen durchlässiges Plastikprisma. Beim
Übergang von Luft in das Prisma ist eine Änderung der Ausbreitungsrichtung zu beobachten. Die
Ursache für diese Brechung ist die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektro© M.Brennscheidt
magnetischen Wellen im Plastikprisma. In Luft breiten sich die Wellen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus, wohingegen im Prisma die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf ca. 70% der
Vakuumlichtgeschwindigkeit absinkt.
Analog zur Mechanik ändert sich nach dem Huygenschen Prinzip hierdurch die Ausbreitungsrichtung
der Welle. Es gilt das bereits bekannte Snelliussche Brechungsgesetz.
Ist
die Vakuumlichtgeschwindigkeit, so entspricht der der Quotient
index des brechenden Körpers .
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dem sog. Brechungs-
Experiment 3: „Polarisation“
Abschließend soll nun der Transversalwellencharakter von elektromagnetischen Wellen untersucht
werden. Hierzu werden der Mikrowellensender und der Empfänger so gegenübergestellt, dass das
Amperemeter eine maximale Auslenkung anzeigt. Zwischen Sender und Empfänger wird nun ein
Metallgitter mit parallelen Gitterstäben, deren Abstand ca. 5mm beträgt, eingefügt. Stehen die
Gitterstäbe parallel zur Schwingungsebene der Mikrowellen, so sinkt das vom Empfänger gemessene
Signal nahezu auf den Wert Null ab. Wird das Gitter um 90° gedreht, so verlaufen die Gitterstäbe
senkrecht zur Schwingungsebene der Mikrowellen und das Amperemeter zeigt wieder maximale
Auslenkung an. Je nach Ausrichtung können die Mikrowellen also das Metallgitter ungestört
passieren oder sie werden vollständig vom Gitter „blockiert“.
Die Ursache für diesen Effekt liegt im Transversalwellencharakter der elektromagnetischen Wellen.
Vernachlässigt man die magnetische Feldstärke (
), so kann eine elektromagnetische Welle in
Form einer Sinuskurve dargestellt werden, die die Schwingung der elektrischen Feldstärke verdeutlicht. Sind die elektrischen Feldstärkevektoren der Welle nun parallel zu den Gitterstäben ausgerichtet, so werden die Elektronen in den Gitterstäben durch das sich ändernde elektrische Feld der
Welle in Schwingung versetzt. Die Energie der Welle wird hierdurch vom Metallgitter absorbiert.
Stehen die Gitterstäbe jedoch senkrecht zu den Feldstärkevektoren, so können Elektronen in den
relativ dünnen Gitterstäben nicht in Schwingung versetzt werden und die Welle gibt so gut wie keine
Energie an das Metallgitter ab. In dieser Position können die Mikrowellen das Gitter nahezu
ungestört passieren.
Anmerkend ist zu sagen, dass das beschriebene Experiment nur funktioniert, wenn die Schwingungsebene aller vom Sender abgestrahlten Mikrowellen gleich ist. Man spricht in diesem Fall von linear
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polarisierten Wellen. Unter Polarisation versteht man die Orientierung der Feldstärkevektoren von
elektrischen Wellen. Schwingen die Feldstärkevektoren mehrerer Wellen in einer gemeinsamen
Ebene so, sind die Wellen linear polarisiert.
Variiert die Schwingungsebene von Welle zu Welle so liegen die Wellen unpolarisiert vor.
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