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2 6. Elektromagnetische Schwingungen Teil II 1 von 24 Elektromagnetische Schwingungen fachliche Grundlagen, Anwendungen und Experimente (Teil II) Dr. Rolf Winter, Potsdam Bei der Diathermie lindert man Schmerzen (z. B. durch Verspannungen) mithilfe elektromagnetischer Schwingungen. Zahlreiche weitere Anwendungen zeigen, wie wichtig elektromagnetische Schwingungen für unseren Alltag sind. Diathermie BTL Medizintechnik GmbH, Ulm Dies ist Fortsetzung des im Februar 2015 erschienenen Beitrags. Der Beitrag im Überblick Klasse: 11/12 Dauer: Ihr Plus: 9 Stunden ü viele Experimente ü Erklärung der Wirkungsweise eines Oszillators für elektromagnetische Schwingungen ü Beschreibung zahlreicher Anwendungen, z. B. Synthesizer, Mikrofone, intelligente Ampelsteuerung, Quarzuhr und Mikrowellenherd Inhalt: Resonanz von Schwingkreisen Schülerexperimente zur Aufnahme von Resonanzkurven Anwendungen elektromagnetischer Schwingungen: automatische Zugbremsung, Verkehrssteuerung, automatische Identifizierung von Gegenständen, Mikrofone und Lautsprecher, Synthesizer Erzeugung und Anwendung höchstfrequenter elektromagnetischer Schwingungen im Mikrowellenherd

3 2 von Elektromagnetische Schwingungen Teil II Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachlicher Hintergrund Ergänzend zu den im Teil I gegebenen Informationen zur Erzeugung und zum Nachweis elektromagnetischer Schwingungen gehen wir hier auf Anwendungen ein. Für die Erzeugung höchstfrequenter elektromagnetischer Schwingungen kann man das Prinzip des rückgekoppelten Verstärkers nicht mehr benutzen. Bei so hohen Frequenzen wirkt die relativ lange Laufzeit der Ladungsträger innerhalb des Transistors als Störfaktor. Es gibt verschiedene Alternativen, um das Laufzeitproblem zu umgehen. Zum einen ermöglichen spezielle Vakuumröhren, höchstfrequente Schwingungen zu erzeugen (Klystron, Magnetron), zum anderen gibt es auch entsprechende schnelle Halbleiterbauelemente (Tunnel- und Gunndiode) (siehe Material M 9). Anmerkung: Hochfrequenz: 10 khz 300 GHz (z. B. Höchstfrequenz: 300 MHz 300 GHz (z. B. Bezug zu den Physik-Lehrplänen (Beispiele) Im Physik-Lehrplan der gymnasialen Oberstufe von Brandenburg inden Sie folgende Stichworte: periodische Energieübergabe zwischen Spule und Kondensator beim Schwingkreis Analogie zwischen mechanischer und elektromagnetischer Schwingung Abhängigkeit der Schwingungsdauer von Kapazität und Induktivität Prinzip der Erzeugung ungedämpfter, elektromagnetischer Schwingungen; Rückkopplung Im Lehrplan von Nordrhein-Westfalen werden im Inhaltsfeld Elektrik die Eigenschaften elektrischer Ladungsträger und ihr Verhalten in elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Weitere Schwerpunkte liegen auf den Beziehungen zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen, insbesondere auf der Beschreibung von elektromagnetischer Induktion und von elektromagnetischen Schwingungen und Wellen. Der Lehrplan von Bayern sieht für die Jahrgangsstufe 11/12 vor: 11.5 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen (ca. 24 Std.). Der Lehrplan von Hessen schreibt zum Thema Mechanische und elektromagnetische Wellen : Charakteristische Größen Harmonische Schwingungen Elektromagnetischer Schwingkreis Eindimensionale Schwingungsgleichung Erzwungene Schwingungen und Resonanz In Sachsen ist in der Jahrgangsstufe 12 Lernbereich 1 Mechanische und elektromagnetische Wellen Plichtthema: Kennen der Voraussetzungen für das Entstehen von Resonanz Übertragen der Kenntnisse auf die Vorgänge im elektromagnetischen Schwingkreis Visualisierung durch Simulationen

4 6. Elektromagnetische Schwingungen Teil II 3 von 24 Eine Anwendung aus dem Bereich der Medizin als Einstieg Körperareale kann man durch hochfrequente elektromagnetische Schwingungen erwärmen. Das ist efizienter als z. B. eine Erwärmung von außen mit einem Heizkissen oder mit Infrarotstrahlung, da die Temperaturerhöhung so im Inneren des Körpers direkt an den betroffenen Stellen erzeugt wird. Durch die Erhöhung der Temperatur kommt es dort zu einer besseren Durchblutung des Gewebes. Dadurch kann man z. B. Verspannungen behandeln. Zur Therapie bringt man die entsprechenden Körperteile in das hochfrequente elektrische Feld eines Schwingkreiskondensators. Die sich rasch ändernde elektrische Feldstärke bewirkt eine schnellere Schwingungsbewegung der Ionen im Gewebe und führt zu einer Erhöhung der Temperatur. Recherchieren Sie im Internet (Stichwort: Diathermie). Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 4, B 2 K 3 E 7, E 8, E 9, E 10 K 5, K 6 F 4, B 2 K 3 F 1, F 3 E 3, E 5 F 1, F 2, B 1, K 1, K 3, K 7 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen kennen den Begriff Resonanz und können ihn anhand der erzwungenen Schwingungen erklären (M 1), untersuchen physikalische Fragestellungen und Zusammenhänge zwischen mehreren physikalischen Größen mittels eines vorstrukturierten Experiments (M 2 M 4), interpretieren experimentell gewonnene Daten im Hinblick auf die Fragestellung (M 2 M 4), kennen verschiedene alltagsnahe Anwendungen elektromagnetischer Schwingungen und können deren Funktionsweise beschreiben (M 5 M 7 und M 9 M 10), erklären die Funktionsweise eines Mikrofons und eines Lautsprechers mithilfe elektromagnetischer Schwingungen (M 7), ziehen hinsichtlich der Überlagerung von elektromagnetischen Schwingungen Vergleiche zu den mechanischen Schwingungen (M 8). Anforderungsbereich I, II I, II I, II I III I III I III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 39.

5 4 von Elektromagnetische Schwingungen Teil II Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 WH Erzwungene Schwingungen und Resonanz M 2 SV / LV Resonanz bei erzwungenen elektromagn. Schwingungen V: 10 min D: 15 min r Funktionsgenerator r Kondensator, 1 µf r 2 Spulen, je 600 Windungen r U- und I-Eisenkern, geblättert r Oszilloskop M 3 SV / LV Aufnahme der Resonanzkurven eines Reihenschwingkreises V: 10 min D: 20 min r Netzgerät, 0 bis 10 V ~ r Strommesser, 10 ma ~, 30 ma ~ r Funktionsgenerator r Spule, 1200 Windungen r U- und I-Kern, geblättert r Kondensator, 4,7 μf r Kondensatoren von 1 μf bis 10 μf, gestuft in 1-μF-Schritten M 4 SV / LV Energetische Verhältnisse bei erzwungenen Schwingungen V: 15 min D: 30 min r Netzgerät, 0 bis 50 V ~ r Kondensator, 4 μf r Spule, 1200 Windungen r U-Kern und I-Kern, geblättert r 3 Glühlampen mit Fassung, 6 V M 5 Ab Anwendung elektromagnetischer Schwingungen M 6 Fo Anwendung elektromagnetischer Schwingungen M 7 Ab Elektromagn. Schwingungen in Mikrofon und Lautsprecher M 8 Ab Überlagerung elektromagnetischer Schwingungen M 9 Ab Erzeugung höchstfrequenter elektromagn. Schwingungen M 10 Fo Magnetron, Mikrowellenherd und Verkehrsüberwachung M 11 LEK Testen Sie Ihr Wissen! Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 19. Minimalplan Bei Zeitknappheit können Sie die Materialien M 7 und M 8 weglassen.

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