Die EM-Welle. Theorie und praktisches Experiment

Inhalt

1. Theorie
1.1 Schwingkreise
1.1.1 Geschlossener Schwingkreis
1.1.2 Offener Schwingkreis
1.2 Begriffserklärung
1.2.1 Anregung
1.2.2 Rückkopplung
1.2.3 Dämpfung
1.3 Die Geschichte der elektromagnetischen Welle
1.4 Das EM-Spektrum
1.5 Die gedämpfte Schwingung

2. Experiment
2.1 Die Schaltung (geschlossener Schwingkreis)
2.1.1 Eigenfrequenz
2.1.2 Dämpfungsfaktor
2.1.3 Induktivität
2.2 Messreihen
2.2.1 Berechnung der Größen aus
2.2.1.1 Eigenfrequenz
2.2.1.2 Dämpfungsfaktor
2.2.1.3 Induktivität
2.3 Angleichen an eine bestimmte Frequenz

3 Die EM-Welle
3.1 Modulationstechniken
3.1.1 Amplitudenfrequenz
3.1.2 Frequenzmodulation
3.2 Sendeund Empfangsantennen
3.3 Das Radar
3.3.1 Allgemeines
3.3.2 Aufbau und Funktionsweise
3.3.3 Frequenzbereiche des Radars
3.3.4 Radar zur Flugüberwachung Graz-Thalerhof

4 Quellennachweis

1. Theorie

Elektromagnetische Wellen kommen in der Natur überall vor, sie können aber auch künstlich erzeugt werden. Sie setzten sich aus einer elektrischen und einer magnetischen Schwingung zusammen. Sie sind Transversalwellen, das heißt sie stehen normal aufeinander.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(http://www.erz.uni-hannover.de/inst/naturw/emWelle.html)

Sie unterscheiden sich in ihrer Frequenz und in Folge dessen auch in ihrer Wellenlänge. Man unterscheidet zwischen zahlreichen Gruppen, die von Niederfrequenzwellen (103 Hz / l=105 m) über Längstwellen, Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen, Ultrakurzwellen (108 Hz / l=100 m), Dezimeterwellen, Zentimeterwellen, Millimeterwellen, Mikrowellen (1012 Hz / l=10-4 m), Infrarot, sichtbares Licht (1015 Hz / l=10-6 m), Ultraviolett, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung (ab 1019 Hz aufwärts / ab l=10-10 m abwärts)

Der Bereich von 104 m Wellenlänge bis 10-1 m Wellenlänge ist für uns interessant, da diese Wellen mit Schwingkreisen erzeugt werden können.

EM-Wellen breiten sich in Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus. (~300 000 km/s)

1.1 Der Schwingkreis

Ein Schwingkreis besteht aus einem Kondensator und einer Spule. Wird er einmal angeregt, schwingt der Strom darin hin und her, wie ein Federpendel. Auch hier gibt es Verluste, sodass die Schwingung gedämpft ist.

Die Grundform ist der geschlossene Schwingkreis. Diesen kann man immer weiter öffnen, bis man über den halb offenen Schwingkreis zum offenen Schwingkreis wird.

1.1.1 Geschlossener Schwingkreis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Legt man an einen geschlossenen Schwingkreis Strom an, lädt sich der Kondensator auf. Wird die Spannungszufuhr unterbrochen, kann sich der Kondensator entladen. Es fließt Strom durch die Spule. Dadurch baut sich ein magnetisches Feld in der Spule auf, welches der elektrischen Energie entgegenwirkt und durch Induktion den Kondensator gegengleich wieder auflädt und so ein elektrisches Feld zwischen den

Kondensatorplatten bildet. Danach wiederholt sich der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge.

1.1.2 Offener Schwingkreis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein offener Schwingkreis besteht ebenso wie der geschlossene aus einer Spule und einem Kondensator. Doch die Windungen der Spule wurden so weit reduziert, dass sie zu einem geraden Leiterstück geworden ist, und die Kondensatorplatten wurden in ihrem Querschnitt auf den eines Leiters reduziert und auseinandergebogen. Ein solcher Schwingkreis nennt sich Dipol.

1.2 Begriffserklärung

1.2.1 Anregung

Um einen Schwingkreis zu betreiben, erfordert dies Energie, die im Schwingkreis schwingen kann. Sie muss dem Schwingkreis erst zugeführt werden. Dies erfolgt mittels Zuführen elektrischer Energie. Dieser Vorgang nennt sich Anregung. Führt man dem Schwingkreis nur einmal Energie zu, so reicht diese auf Grund der Dämpfung nur für einige Schwingungen mit abnehmender Amplitude aus. Für eine gleichmäßige Schwingung muss also fortwährend Energie im Richtigen Takt zugeführt werden. Eine Möglichkeit der Anregung ist die Rückkopplung.

1.2.2 Rückkopplung

Beeinflusst der Ausgang eines Prozesses seine Ursache, so spricht man von

Rückkopplung.

(Basiswissen 2; Seite 99, Spalte 1; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Wie jeder Schwingungsvorgang kommt auch die Schwingung der Ladungen im Schwingkreis durch innere Reibung rasch zum Stillstand. Schwingkreise in der Technik müssen daher im „richtigen Takt“ durch Energiezufuhr angeregt werden, um die Reibungsverluste auszugleichen. Dabei bedient man sich beispielsweise der Rückkopplung – der Schwingkreis steuert selbst den Moment des Energienachschubes.

(Basiswissen 3; Seite 85; Spalte 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Schaltplan zur Rückkopplung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Kopplungstransformator verbindet die Spule des Schwingkreises mit dem Regelkreis. Er überträgt die Schwingung in den Regelkreis, sodass der Transistor synchron mit der Frequenz des Schwingkreises angesteuert wird. Bei positiver Spannung an der Basis schaltet er durch, und gibt so wieder einen Regelimpuls an den Schwingkreis.

Regelkreise werden in der Technik häufig verwendet (Drehzahlregler, Spannungsregler ...). Charakteristisch für Regelkreise ist, dass der Wert der Regelgrösse (Istwert) ständig mit dem Sollwert verglichen wird. Weicht der Istwert vom Sollwert auf Grund einer Störung ab, so führt diese Abweichung zu einer Stellgrösse, die auf die Regelstrecke so einwirkt, dass die Störung ausgeglichen wird. In Systemen mit Rückkopplung kann es zu einem „Aufschaukeln“ [findet bei der Erzeugung von Schwingungen im Schwingkreis Anwendung] oder „Abklingen“, zu einer Stabilisierung eines Vorganges nach einer bestimmten „Einschwingzeit“, aber auch zu unerwünschten Schwingungen um einen Sollwert kommen.

(Basiswissen 2; Seite 99; Spalte 1/ 2; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Die Rückkopplung in unseren Schwingkreisen funktioniert auf die selbe Weise; die Istwert des Schwingkreises wird über den Kopplungstransformator mit dem Sollwert verglichen. Der einzige Unterschied ist, dass im Schwingkreis eine Sinusschwingung vorherrscht, dessen Amplitude sich lediglich etwas verringert. Sobald die Schwingung einen Schwellwert im positiven Bereich (NPN-Transistoren schalten bei positiver Spannung an der Basis durch) überschreitet, schaltet der Transistor durch und gibt einen Impuls an den Schwingkreis, um diesen erneut anzuregen und die Amplitude zu erhalten. Der Anregeimpuls dauert so lange, bis die Sinusschwingung des Schwingkreises den Schwellwert wieder unterschreitet.

1.2.3 Dämpfung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Geht durch Reibung Schwingungsenergie in die Umgebung über, verringert sich die Amplitude der Schwingung – die Schwingung verläuft gedämpft. Je stärker die Dämpfung einer Schwingung ist, umso rascher klingt die Amplitude der Schwingung ab.

(Basiswissen 2; Seite 96; Spalte 1; Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1992)

Im Schwingkreis geht jedoch nicht nur durch Reibung Energie verloren, sondern auch bei der Induktion, da es sich nicht um eine optimale geschlossene Spule handelt. Es wird magnetische Energie nach außen abgegeben. Ebenso wird auch kein optimales elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten aufgebaut. Der Dämpfungsfaktor bei normalen Schwingkreisen ist daher relativ groß, sodass es bei einmaliger Anregung nur zu einigen wenigen Schwingungen kommt. (vgl. 1.5 und 2.2.4)

Ein vergleichbares Beispiel ist ein Federpendel, bei dem allerdings nur die Reibung zur Abnahme der Amplitude führt. Schwingt es in Luft, nimmt die Amplitude nur sehr langsam ab, dies entspricht einem kleinen Dämpfungsfaktor. Dieser nimmt mit zunehmender Dichte des umgebenden Mediums zu. In Wasser etwa ist die Dämpfung so hoch, dass das Pendel nur noch einige Schwingungen durchführt, bevor es zum Stillstand kommt.

1.3 Die Geschichte der elektromagnetischen Welle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(http://home.t-online.de/home/Karsten.Beuche/meile19.htm und Geschichte der Physik 2; Hansjörg Kunze, Verlag Hölder-Pichler-Tempsky, Wien, 1991)