Versuche zu elektromagnetischen Wellen Wir machen Handystrahlung hörbar

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1 V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Wir machen Handystrahlung hörbar Inhaltsübersicht Lehrerinfo Materialien Drei Versuche V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 265

2 V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Lehrerinfo Einheit für die magnetische Feldstärke: Ampere pro Meter (A/m) Einheit für die elektrische Feldstärke: Volt pro Meter (V/m) Einheit für die Strahlungsdichte / Leistungsflussdichte: Watt pro Quadratmeter (W/m²) Milliwatt / m² > mw/m² (1 Tausendstel Watt / m²) Mikrowatt / m² > µw/m² (1 Millionstel Watt / m²) Hochfrequente Wellen entstehen durch die Abstrahlung hochfrequenter Energie von einer Antenne. Das abgestrahlte elektrische Wirbelfeld hat eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung (= Polarisation, wie z. B. als senkrechte, waagrechte oder mit 45 Grad gedrehte Welle) und erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld, das in seiner Ausbreitungswelle um 90 Grad gedreht zur elektrischen Welle ist. Dieses magnetische Wirbelfeld erzeugt wiederum ein elektrisches Wirbelfeld usw. Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus: km/sec. Einen Teil der elektromagnetischen Wellen können wir sehen: das sichtbare Licht. Zusätzliche Informationen Die Frequenz gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde wieder und wird nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz benannt. Einheit der Schwingung: Hertz, Hz Ein Beispiel: Das hörbare Freizeichen bzw. der Wählton beim Telefon schwingt mit Hz. Tausend Schwingungen pro Sekunde Kilohertz khz Millionen Schwingungen pro Sekunde Megahertz MHz Milliarden Schwingungen pro Sekunde Gigahertz GHz Billionen Schwingungen pro Sekunde Terrahertz THz Eine Welle wird durch folgende Charakteristika definiert: Amplitude und Wellenlänge. Die Amplitude ist die maximale Auslenkung einer sinusförmigen Wechselgröße, also wie hoch eine Welle um die Nulllinie schwingt. Als Wellenlänge λ (griechisch: Lambda), wird der kleinste Abstand zweier Punkte gleicher Phase einer Welle bezeichnet, also nach welcher Länge sich die Welle in ihrer Form wiederholt. Es gibt den Nah- und Fernbereich. Der Nahbereich (Nahfeld) entspricht etwa der 4-fachen Wellenlänge. In diesem Bereich sind die elektrische und magnetische Feldstärke separat zu messen. Im Fernbereich (Fernfeld) erfolgt die Verschmelzung der beiden Felder zur elektromagnetischen Welle. Hier genügt es, die elektrische Feldstärke zu messen und daraus die Strahlungsdichte zu berechnen. Im Bereich der Hochfrequenz gibt es u. a. folgende Funkdienste. Die Auflistung erfolgt mit abnehmender Wellenlänge und zunehmender Frequenz (gerundete Frequenzangaben): V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 266

3 Langwelle, LW-Rundfunk khz Mittelwelle, MW-Rundfunk khz Kurzwelle,KW-Rundfunk 2-26 MHz Radio, UKW-Tonrundfunk 87,5 108 MHz Fernsehen MHz Mobilfunk, LTE 800, 4G 800 MHz Mobilfunk, GSM 900, 2G 900 MHz Mobilfunk, LTE 900, 4G 900 MHz Radar MHz Mobilfunk, GSM 1800, 2G 1,8 GHz Mobilfunk, LTE 1800, 4G 1,8 GHz DECT, Schnurlostelefon 1,9 GHz Mobilfunk, UMTS, 3G 2,2 GHz Mikrowellenherd 2,4 GHz WLAN, Bluetooth 2,4 GHz Mobilfunk, LTE 2600, 4G 2,6 GHz Radar 2,7 3,4 GHz WLAN 5,15 5,725 GHz V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 267

4 V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Materialien Materialien Hochfrequenzmessgerät 800 MHz 2700 MHz (HF 35C) und Antenne DECT Basisstation und Netzteil Telefonadapter (Magnetmikrofon) Stimmverstärker und Ladenetzteil Zwischenstecker 2-polig, 2 m Verlängerungskabel ungeschirmt oder geschirmt Zollstab Hinweise zum Einsatz des Stimmverstärkers Stimmverstärker mit dem beigefügten Ladegerät vor dem Einsatz so lange laden, bis das LED- Lämpchen grün leuchtet und nicht mehr rot-grün blinkt. Wenn der Akku komplett leer ist, kann dies ein paar Stunden dauern. V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 268

5 V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Versuch 1 Das Handy atmet Hörbarmachung interner Prozesse Auch wenn das Handy gerade nicht verwendet wird, laufen verschiedene Prozesse im Hintergrund ab. In jedem Fall ist dies die permanente Überwachung des aktuellen Empfangspegels durch das Handy. Dabei wird etwas Strom verbraucht und ein Magnetfeld erzeugt. Diesen Vorgang kann man mit dem Telefonadapter samt Verstärker hörbar machen z.b. als Sekundenpuls (siehe Versuch). Falls der Empfangspegel zu schwach wird, wechselt das Handy aktiv (durch Verbindungsaufbau) auf eine andere Frequenz. Auch das führt zu einem Stromverbrauch der hörbar gemacht werden kann (Versuch). Weiters laufen bei Smartphones über installierte Apps aktive Datenanfragen (z.b. s, Nachrichtenaustausch, Infos zu Spielständen, Wetter, Informationen über Angebote in der Nähe) im Hintergrund ab. Um auf dem aktuellen Stand zu sein, muss das Smartphone in regelmäßigen Abständen über das Mobilfunknetz oder WLAN mit dem jeweiligen Dienstanbieter Kontakt aufnehmen. Dabei wird vom Smartphone hochfrequente Energie abgestrahlt. Damit die Versuche nicht durch andere Handys gestört werden, sollten vor Beginn der Versuchsreihe zunächst alle Handys in der Klasse ausgeschaltet werden. A) Handy ist ausgeschaltet 1. Stimmverstärker (nach dem Aufladen) einschalten und auf maximale Lautstärke stellen (LED-Lämpchen leuchtet ständig rot). Den Telefonadapter in die MIC-Buchse stecken. 2. Ein ausgeschaltetes Handy auf den Tisch legen. 3. Den Telefonadapter (egal ob mit dem Saugnapf nach unten oder oben) auf das Handy legen. Wenn das Handy ausgeschaltet ist, fließen keine Ströme, und werden deshalb auch keine Magnetfelder erzeugt. Soweit keine anderen Magnetfeldquellen in der Nähe sind, sollte der Stimmverstärker kein Geräusch erzeugen. B) Handy einschalten 1. Nun das Handy einschalten. Das Handy wird sich nun bei einem Mobilfunknetz anmelden. Beim Anmeldevorgang fließen Ströme und werden dabei Magnetfelder erzeugt. Diese Magnetfelder werden mittels Telefonadapter und Stimmverstärker hörbar gemacht. In Abhängigkeit vom Stromfluss, der sich über den Zeitverlauf ändert, hört man je nach Netz (GSM, UMTS oder LTE) nun unterschiedliche Geräusche. o o Bei Anmeldung im GSM-Modus hört man ratatat, ratatat. Bei Anmeldung im UMTS-Modus hört man eher leise ein schnarrendes Geräusch. V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 269

6 Soweit nicht Apps aktiv sind, geht das Smartphone nach dem Anmeldevorgang in den Stand-by Modus. Das durch den Stromfluss erzeugte Magnetfeld kann sich zb wie das Ticken einer Uhr (Sekundenpuls) anhören. 2. Nun ein Anders Handy nehmen und den Versuch wiederholen. Jedes Gerät hat seine eigenen magnetischen Wechselfelder, die mit dem Telefonadapter und Stimmverstärker hörbar gemacht werden. Erweiterung des Versuchs: An Stelle des Handys kann nun auch eine Armbanduhr genommen werden die mit Batterie betrieben wird. Telefonadapter auf die Unter- oder -oberseite der Uhr halten und auf die Geräusche achten. Batterieuhr mit Sekundenzeiger: jede Sekunde wird ein Ton hörbar sein. Batterieuhr ohne Sekundenzeiger: jede Sekunde wird ein Ton hörbar sein oder alle 5, 10, 15 oder 20 Sekunden. Das hängt von der Bauweise ab. Der Minutenzeiger soll ja nach 1 Minute entsprechend auf dem Ziffernblatt weitergerückt sein. Batterieuhr mit LCD-Anzeige: nichts zu hören. Mechanische Uhr: nichts zu hören. URSACHE für die Impulse: Eine Spule, die in der Uhr integriert ist und über die Strom fließt, damit der Sekundenzeiger weiter bewegt wird. Dieser kurze Stromstoß erzeugt ein steilflankiges und mit Oberwellen versehenes Signal. C) Anruf durchführen und beenden 1. Nun eine beliebige Telefonnummer wählen. Befindet sich das Handy im GSM-Modus ist beim Rufaufbau zunächst ratatat, ratatat zu hören, dann ein unangenehmer Dauerton. Befindet es sich im UMTS-Modus hört man ein schnarrendes Geräusch Zuerst meldet sich das Handy bei der Vermittlungsstelle an. Die Vermittlungsstelle teilt dem Handy mit, auf welcher Frequenz gesendet wird und wie hoch es seine Sendeleistung regeln soll. Dann erst erfolgt der Rufaufbau zum gewünschten Gesprächspartner. D) Handy erhält Anruf 1. Mit einem zweiten Handy wird von außerhalb des Raumes das Handy am Tisch angerufen. 2. Befindet sich das Handy im GSM-Modus ist zunächst ratatat, ratatat zu hören, obwohl noch KEIN Klingelton zu hören ist. 3. Befindet sich das Handy im UMTS-Modus ist zunächst eine Art elektronischer Klingelton zu hören, dann läutet es wirklich, bei Gesprächsannahme folgt ein schnarrendes Geräusch Zuerst erhält das Handy von der Vermittlungsstelle eine Information, dass ein Anruf kommen wird. Die Vermittlungsstelle teilt dem Handy mit, auf welcher Frequenz gesendet wird und wie hoch es seine Sendeleistung regeln soll. Erst wenn es einsatzbereit ist, erfolgt das Klingeln. V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 270

7 V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Versuch 2 Wie stark strahlt das Handy Unterschied GSM und UMTS-Modus Die Versuche können generell bei geringer Hintergrundbelastung durch Mobilfunk, schnurlose Telefone nach DECT-Standard oder WLAN mit dem Hochfrequenzmessgerät von Gigahertz durchgeführt werden. Sind die Geräusche, die aus dem Lautsprecher des Messgerätes ertönen jedoch zu stark, so sollten die vorhandenen Feldquellen (zb DECT Telefon, WLAN Accesspoints oder WLAN Clients, Smartphones) ausgeschaltet oder der Raum gewechselt werden. Im GSM-Modus beträgt die Sendeleistung bis zu 1 Watt, im UMTS-Modus liegt diese typisch im Bereich von 1 mw. Durch die sg. Leistungsregelung versucht das Handy die Leistung jeweils so gering wie erforderlich einzustellen. Daher sind die Messwerte je nach vorhandener Netzqualität auch unterschiedlich. Bei Smartphones wird der aktuelle Netzmodus in der Regel im Display angezeigt: GSM: 2G (2. Mobilfunkgeneration) oder E (E steht für EDGE ein schneller GSM Modus) UMTS: 3G (3. Mobilfunkgeneration) oder H (H steht für HSDPA - ein schneller UMTS Modus), WCDMA (wide code division multiple access) Messungen an Handys im GSM- und UMTS-Modus 1. Ein ausgeschaltetes Handy auf den Tisch legen. 2. Zuerst die grüne Antenne in die Stirnseite des Hochfrequenzmessgeräts HF 35 C (Gigahertz-Solutions) einstecken und das Antennenkabel an der kleinen goldfarbenen SMA-Buchse (am Gerät rechts oben) nur mit den Fingern anschrauben. 3. Den Schalter zur Signalbewertung (am Gerät links) auf die Stellung Spitzenwert einstellen. 4. Den Schalter für den Messbereich (am Gerät rechts) auf die Stellung 1999 µw/m² einstellen. 5. Den Lautstärkeregler (am Gerät oben in der Mitte) in eine mittlere Position drehen. 6. Das Messgerät nun auf den Tisch legen, und die Antenne auf das Handy ausrichten. Die Mitte der Antenne sollte vom Handy ca. 2m entfernt sein. 7. Nun das Messgerät einschalten. Sollte die Hintergrundbelastung durch Mobilfunk, DECT oder WLAN akustisch zu groß sein, funktioniert dieser Versuch möglicherweise nicht (Raum wechseln). 8. Mit einem zweiten Handy wird von außerhalb des Raumes das Handy am Tisch angerufen. o Befindet sich das Handy im GSM-Modus ist zunächst ratatat, ratatat zu hören, anschließend ein lauter Dauerton. Der Messwert kann in einer Entfernung von 2m fallweise über 1999 µw/m² liegen, das Messgerät zeigt in diesem Fall im Display ganz links die Zahl 1 an. o Befindet sich das Handy im UMTS-Modus (den Lautstärkeregler am Messgerät ganz aufdrehen) hört man eher leise ein schnarrendes Geräusch, die Messwerte sind in der Regel deutlich niedriger als bei GSM. V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 271

8 V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Versuch 3 Messungen an einer DECT Basisstation 1. Den Zwischenstecker in eine Steckdose stecken und über den roten Kippschalter ausschalten. 2. Das Netzteil der DECT Basisstation in den Zwischenstecker stecken. 3. Die grüne Antenne in die Stirnseite des Hochfrequenzmessgeräts HF 35 C (Gigahertz- Solutions) einstecken und das Antennenkabel an der kleinen goldfarbenen SMA-Buchse (am Gerät rechts oben) anschrauben (nur mit den Fingern). 4. Den Schalter zur Signalbewertung (am Gerät links) auf die Stellung Spitzenwert einstellen. 5. Den Schalter für den Messbereich (am Gerät rechts) auf die Stellung 1999 µw/m² einstellen. 6. Den Lautstärkeregler (am Gerät oben in der Mitte) in eine mittlere Position drehen. 7. Das Messgerät nun auf den Tisch legen, und die Antenne auf die DECT Basisstation ausrichten. Die Mitte der Antenne sollte von der DECT Basisstation ca. 2m entfernt sein. 8. Nun das Messgerät einschalten. 9. Nun den Zwischenstecker einschalten, die DECT Basisstation fängt zu senden an. 10. Die Lautstärke am Hochfrequenzmessgerät nach Bedarf einstellen. 11. Mittels Maßband nun eine Entfernung von 2 m zur DECT Basisstation ausmessen (dazu ev. zwei Tische aneinander stellen) In 2 m Entfernung liegt der Messwert in einem Innenraum typisch zwischen rund 250 µw/m² und etwas über 1999 µw/m². Die unterschiedlichen Messwerte resultieren aus sg. Interferenzen im Innenraum. Diese führen so wohl zu einer Erhöhung, als auch zu einer Reduktion der Feldstärke an einem bestimmten Punkt im Raum. 12. Nun unter Beibehaltung der Distanz von 2 m das Messgerät in die Hand nehmen und langsam nach rechts oder links bewegen. Die Antenne des Messgerätes sollte dabei immer auf die DECT Basisstation zeigen. Die Messwerte werden wie schon oben angeführt typisch zwischen rund 250 µw/m² und etwas über 1999 µw/m² liegen. Des Weiteren können die Geräusche unterschiedlich sein von einem durchgängigen Ton bis deutlich hörbar getaktet. 13. Nun die DECT Basisstation mittels Zwischenstecker ausschalten. Das typische DECT- Geräusch hört auf. Hinweis DECT Basisstation takten mit 100 Impulsen pro Sekunde (100 Hz) - hört sich wie ein schnarrendes Geräusch an. WLAN Acces Points / takten im Standby mit 10 Impulsen pro Sekunde (10 Hz) - hört sich wie ein Traktor am Stand an. Handys im GSM-Modus takten während des Telefonates mit 217 Impulsen pro Sekunde (217 Hz), beim Zuhörmodus (DTX) mit ca. 8,3 Hz - hört sich wie ein Traktor am Stand an. Mobilfunksender für GSM takten mit Impulsen pro Sekunde (1732 Hz) - hört sich wie ein Pfeifton an. V5 Versuche zu elektromagnetischen Wellen Seite 272