Warum benutzt man verdrillte Leitungspaare in LANs und nicht Paare mit parallel geführten Leitungen?

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1 Warum benutzt man verdrillte Leitungspaare in LANs und nicht Paare mit parallel geführten Leitungen? Das kann man nur verstehen, wenn man weiß, was ein magnetisches Feld ist und was das Induktionsgesetz bedeutet. Beides wird hier nur prinzipiell eingeführt, so dass die technischen Schlussfolgerungen plausibel werden. 1

2 Ein Magnet (z.b. ein Stabmagnet) ist nicht ohne Wirkung im umgebenden Raum. An jedem Raumpunkt richtet sich eine Magnetnadel eindeutig aus. Im Umfeld jedes magnetisch wirkenden Körpers gibt es an jedem Raumpunkt eine gerichtete Kraftwirkung. Die Kraftwirkung an jedem Raumpunkt betrachtet man als eine Eigenschaft des Raumes und bezeichnet alle Wirkungen zusammengenommen als magnetisches Feld. Man definiert eine geeignete, zur Kraftwirkung analoge Größe: die magnetische Feldstärke. 2

3 Man kann die Raumpunkte gleicher Feldstärke miteinander verbinden und erhält charakteristische Linien, die Feldlinien. Die Raumpunkte bilden ein Kontinuum, also bilden auch die Feldlinien ein Kontinuum im Raum. Bei den üblichen Darstellungen eines Feldes stellt man aber Linien für diskrete Feldstärkewerte dar, wobei die Differenz zwischen den Feldstärkewerten von zwei benachbarten Linien überall gleich ist. 3

4 Die Polbezeichnung ergibt sich aus dem Gebrauch der Kompassnadel. Der Pol, der zum geografischen Nordpol der Erde zeigt, wird an der Kompassnadel als Nordpol bezeichnet. Der Nordpol der Nadel zeigt auf einen magnetisch entgegen gesetzten Pol, einen magnetischen Südpol, da entgegen gesetzte Pole sich anziehen, gleichnamige sich abstoßen. Der geographische Nordpol der Erde gilt als magnetischer Südpol. 4

5 Die magnetischen Feldlinien verbinden die Raumpunkte mit gleicher Feldstärke. Die Feldstärke-Verteilung im Raum ist das maßgebliche Merkmal für ein magnetisches Feld. Die Feldlinien eines magnetischen Feldes werden mit Pfeilen markiert. Die Pfeile außerhalb des Verursachers des Magnetfeldes zeigen in Richtung der Kompassnadel, also zum magnetischen Südpol. 5

6 Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld mit den gleichen Merkmalen wie ein Dauermagnet. Mit Eisenkern ist das Feld an den Polen stärker als im Fall ohne Kern. Wenn sich der Strom über der Zeit ändert, ändert sich an jedem Raumpunkt analog auch das Magnetfeld. Strom durch Spule 6

7 Angenommen, man bildet mit einem Leiter eine geschlossene Schleife in einem Magnetfeld und schneidet diese auf (Endpunkte A und B) auf. Dann wird zwischen A und B eine Spannung erzeugt, solange sich das Magnetfeld ändert, das die Schleifenfläche durchsetzt (Induktion). A B 7

8 Maßgeblich für die Größe der Spannung ist die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes in der gesamten Schleifenfläche. Je größer die Schleifenfläche und/oder je größer die Änderung in der Zeiteinheit, umso größer ist die erzeugte Spannung. A B Liegt ein parallel geführtes Leitungspaar im Bereich eines sich ändernden Magnetfeldes, dann bildet es zusammen mit der Sender- und der Empfängerschaltung eine Schleife, in der durch Induktion eine Störspannung entsteht. 8

9 Verdrillt man die Schleife so, dass zwei gleiche symmetrische Teilschleifen entstehen, und kann man davon ausgehen, dass in den Teilschleifen genau gleiche Änderungen des magnetischen Feldes in der Zeiteinheit vorliegen, dann verschwindet die induzierte Spannung. A B 9

10 Die wirksame Gesamtfläche wird durch die beiden gleich großen Flächen der Teilschleifen gebildet. Der Schnitt zur Bestimmung der induzierten Spannung kann an jeder Stelle der Gesamtschleife liegen. Er wird (aus Gründen der einfacheren Verständlichkeit) an den Kreuzungspunkt der Schleifen gelegt: Schnittflächen A,B. 10

11 Nun sei die obere Teilschleife von einem Magnetfeld mit einer bestimmten Richtung durchsetzt. Das Feld in der durchsetzten Fläche soll sich mit der Zeit ändern, z.b. schwächer werden, indem man z.b. den Strom verringert, wenn eine Spule das Feld erzeugt. Dadurch rücken in die Raumpunkte (der wirksamen Fläche) Feldlinien mit geringerer Feldstärke. Außerdem soll die Schleife zwischen A und B durch einen Widerstand geschlossen werden. Als Wirkung der Änderung des Magnetfeldes in der Teilschleife ergibt sich die Erzeugung einer Spannung, die einen Strom in einer eindeutigen Richtung durch die Schleife treibt. 11

12 Die Tatsache, dass sich um eine stromdurchflossene Spule ein Magnetfeld bildet, ergibt sich aus der allgemein gültigen Tatsache, dass jeder stromdurchflossene Leiter in seinem Umfeld ein Magnetfeld erzeugt. Stromrichtung und magnetische Feldrichtung sind nach einer einfachen Regel zugeordnet: Zeigt der Daumen der rechten Hand in Richtung des Stromes, dann gibt die Richtung der übrigen Finger die Richtung der Feldlinien an. 12

13 Offensichtlich hat das Magnetfeld des induzierten Stromes die gleiche Richtung wie das Magnetfeld, das ihn durch Abnahme der Feldstärke verursacht: die Feldlinien durchdringen die Fläche in der gleichen Richtung, hier in die Fläche hinein. Das Feld des induzierten Stromes erzeugt also einen Zuwachs des Feldes, das durch seine Abnahme den induzierten Strom verursacht. Der induzierte Strom versucht also, die Abnahme des verursachenden Feldes auszugleichen. 13

14 Die induzierte Spannung, die diesen Strom treibt, kann man zwischen den Anschlussstellen A und B messen, wenn man den Widerstand entfernt. Sie wird durch einen Pfeil in Richtung des Stromes markiert, der durch einen (den Stromkreis schließenden) Widerstand fließen würde. 14

15 Achtung: Wenn der Stromkreis durch einen Widerstand geschlossen wird, wirkt die induzierte Spannung als sog. eingeprägte Spannung, die Spannung zwischen A und B wird aber kleiner. Grund: der Leiter der Schleife hat selbst einen Widerstand. Sobald durch einen Widerstand ein Strom fließt, erzeugt er einen sog. Spannungsabfall. Um diesen erniedrigt sich die Spannung zwischen A und B gegenüber der eingeprägten Spannung. 15

16 Nun soll die untere Teilschleife auf die gleiche Weise wie die obere durch ein Magnetfeld durchsetzt werden. Gemäß denselben physikalischen Gesetzen wird eine Spannung induziert, die einen Strom durch die Schleife treibt. Dieser fließt aber in der Richtung, die dem vorhergehenden Fall entgegen gesetzt ist. 16

17 Man misst in diesem Fall zwischen den Anschlussstellen A und B eine induzierte Spannung, die der Spannung entgegen gesetzt ist, die im vorhergehenden Fall induziert wird. 17

18 Tatsächlich wirkt das gleiche Magnetfeld in beiden Teilschleifen gleichzeitig, d.h. man muss die Einzelwirkungen zu einer Gesamtwirkung überlagern, was mathematisch eine Addition bedeutet. Da die Flächen und die Änderung des Magnetfeldes in beiden Teilschleifen gleich groß sind, werden gleich große, aber entgegen gesetzt wirkende Teilspannungen induziert, die sich aufheben. Insgesamt wird also keine Spannung induziert. 18

19 Durch das Verdrillen eines Leitungspaares entsteht eine Kette von Schleifenpaaren, in denen sich die von außen induzierten Störspannungen jeweils aufheben. Das gilt im Idealfall, in dem die Schleifenflächen und die Änderungen des magnetischen Feldes in den Schleifen wirklich gleich sind. In tatsächlich gefertigten Kabeln und realen Kabelverlegungen gilt das nur näherungsweise. Strom, der bei beidseitigem Abschluss der Leitung mit Widerständen durch die Gesamtschleife fließt. Zum Strom gehörende induzierte Spannung Die induzierten Spannungen heben sich auf: kein Strom. Die induzierten Spannungen heben sich auf: kein Strom. 19

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