Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Elektrischer Schwingkreis

Eine elektromagnetische Schwingung ist ein Vorgang, bei dem sich das elektromagnetische Feld zeitlich periodisch ändert.

Schaltung

Ein Stromkreis mit Kondensator (C) und Spule (L).

Funktionsweise

Schwingkreis Funktionsweise

1. Der Kondensator ist geladen. Die Energie ist im elektrischen Feld des Kondensators (E-Feld) gespeichert.
2. Durch den Stromfluss entsteht um die Spule ein magnetisches Feld, in dem die Energie gespeichert ist (B-Feld).
3. Durch Selbstinduktion in der Spule entsteht eine Spannung und ein Strom, die zu einer entgegengesetzten Aufladung des Kondensators führt (E-Feld).
4. Der Kondensator entlädt sich in umgekehrter Richtung. Durch den Strom entsteht um die Spule wieder ein Magnetfeld, in dem die Energie gespeichert ist.
5. (Zustand wie 1.) Durch Selbstinduktion entsteht wieder ein Stromfluss, der zur erneuten Aufladung des Kondensators führt.

Thomson'sche Schwingungsgleichung

$T=2\pi \sqrt{L\times C}$

T	Schwingungsdauer
L	Induktivität der Spule
C	Kapazität des Kondensators

(Gilt nur wenn Energieverlust und ohm'sche Widerstände vernachlässigt werden.)

Für die Frequenz f gilt:

$f=\frac{1}{T}$

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen sind ein Vorgang, bei dem sich das elektromagnetische Feld zeitlich und räumlich periodisch ändert.

Ausbreitung

• breitet sich um den Dipol allseitig aus und mit Lichtgeschwindigkeit ( $c=\lambda \times f$)
• als Transversalwelle, denn $\overrightarrow{E}$ und $\overrightarrow{B}$ sind senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
• vom Senderdipol zum Empfängerdipol

Spektrum

Bereiche	λ in m	f in MHz
Langwelle	10.000-1.000	0,03-0,3
Mittelwelle	1.000-100	0,3-3
Kurzwelle	100-10	3-30
Ultrakurzwelle	10-1	30-300
Dezimeterwelle	1-0,1	300-3.000
Zentimeterwelle	0,1-0,01	3.000-30.000

Hertz'sche Wellen: 1 mm < λ < 10 km

Wichtige Aussagen

• Ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld ist untrennbar mit einem elektrischen Feld verbunden.
• Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld ist untrennbar mit einem magnetischen Feld verbunden.
• Elektrische und magnetische Felder können sich gegenseitig induzieren (hervorrufen).
• Ein elektromagnetisches Feld ist der Zustand eines Raumes, in dem elektrische und magnetische Felder existieren, die untrennbar miteinander verknüpft sind und sich wechselseitig bedingen.
• Werden Ladungsträger beschleunigt oder abgebremst, dann entstehen elektrische und magnetische Felder (elektromagnetische Wellen), die sich im Raum ausbreiten.
• Ein Dipol kann als Quelle elektromagnetischer Wellen dienen.

Eigenschaften

Reflektion

An metallischen Leitern werden die Wellen reflektiert. Es gilt das Reflexionsgesetz: $a=a^{\prime }$

Brechung

Beim Übergang von einem Isolator in einen anderen können elektromagnetische Wellen ihre Ausbreitungsrichtung ändern. Sie werden gebrochen. Es gilt das Brechungsgesetz.

Beugung

Beugung

An Hindernissen (Löcher, Kanten, Doppelspalte) können die Wellen gebeugt werden und sich so auch in Schattenräume hinein ausbreiten.

Interferenz

Elektromagnetische Wellen können sich überlagern, sodass eine resultierende Welle als Addition der Ausgangswellen entsteht (Interferenz). Dabei kommt es zu typischen Interferenzerscheinungen wie Verstärkung und Abschwächung.

Polarisation

Polarisation

Elektromagnetische Wellen können polarisiert werden, z.B. durch ein engmaschiges Netz aus Metalldrähten. Die Feldvektoren schwingen dann hinter dem Gitter nur in eine Richtung.

Ist die Schwingungsrichtung der elektrischen Feldstärke $\overrightarrow{E}$ parallel zu den Stäben des Gitters, tritt die Welle nicht hindurch. Bei senkrechter Stellung von $\overrightarrow{E}$ zu den Stäben läuft die Welle weitgehend ungehindert durch das Gitter hindurch.

Senden und Empfangen von hertzschen Wellen

• Hochfrequenz-Schwingungen (HF-Schwingungen) → können als hertzsche Wellen abgestrahlt werden → besitzen mindestens 100 kHz.
• Niederfrequenz-Schwingungen (NF-Schwingungen) → nicht geeignet für das Aussenden hertzscher Wellen, durch die geringe Frequenz → Sprache und Musik besitzen nur 20 kHz.
• Modulation → um Sprache u. Wellen mit hertzsche Wellen zu übertragen
• HF-Schwingungen als „Träger“ für NF-Schwingungen, da sie als Hertzsche Wellen abgestrahlt werden können
• Hertzsche Wellen werden über Antennen (Dipole) ausgestrahlt

Amplitudenmodulation

Senderprinzip

Empfängerprinzip