Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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1 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Größen des Wechselstromes u max U u t u Momentanwert u max Amplitude U Effektivwert T Periodendauer f Frequenz T Der Wechselstrom ist eine elektrische Schwingung. Im Haushalt ist Wechselstrom einer Frequenz von 50 Hz. Eine elektrische Schwingung hat alle Eigenschaften einer mechanischen Schwingung. Eine gedämpfte elektrische Schwingung kommt durch den ohmschen Widerstand zustande. 2

2 Wechselstrom In den Netzteilen der Geräte wird: Durch eine Diode eine pulsierende Gleichspannung Durch Kondensatoren eine geglättete Gleichspannung 3 Der Schwingkreis Kondensator Spule Ein geschlossener Schwingkreis besteht aus Spule und Kondensator 4 2

3 Der Schwingkreis Applet R = 0 Ω Vorgänge im Schwingkreis Kondensator ist aufgeladen E-Feld maximal Kondensator entlädt sich veränderlicher Strom fließt durch Spule M-Feld baut sich auf ändert sich Induktionsstrom, der Entladestrom behindert Kondensator entladen E-Feld = 0 M-Feld der Spule maximal Induktionsstrom bewirkt, dass auch nach Entladen ein Strom in ursprünglicher Richtung weiter fließt Kondensator wird in entgegen gesetzter Richtung wieder aufgeladen M-Feld wird ab-, E-Feld aufgebaut Kondensator ist aufgeladen der Vorgang wiederholt sich in umgekehrter Richtung S

4 Thomsonsche Schwingungsgleichung Applet (R = 0 Ω) Abhängigkeit der Eigenfrequenz des Schwingkreises von L und C: f ~ L f ~ C f ~ L C f 0 2 L C (Resonanzfrequenz) Thomsonsche Schwingungsgleichung: S. 277 / -3 (Aufgabe 2 ohne R) T 2 L C 7 Energieumwandlungen Applet R = 0 Ω bis R = 50 Ω variieren Welchen Einfluss hat der ohmsche Widerstand? idealer Schwingkreis: E el E mag ungedämpfte Schwingung realer Schwingkreis: E el E mag gedämpfte Schwingung E therm 8 4

5 Geschichte elektromagnetischer Wellen 790 Luigi Galvani ( ): Experimente an Nerven und Muskeln Zucken von Froschschenkel bei Funken der Elektrisiermaschine 862 Maxwell (83 879): Voraussage elektromagnetischer Wellen 888 H. Hertz ( ): experimenteller Nachweis 895 Alexander Popow ( ): Funkübertragung über 4 km 90 Guglielmo Marconi ( ): erstes Funktelegramm über den Atlantischen Ozean LeiFi 9 Offener Schwingkreis - Dipol Elektronen führen hochfrequente Schwingungen zwischen den Dipolenden aus zeitweise Anhäufung E-Feld, welches sich periodisch ändert Hin- und Herschwingen Änderung des Stromes periodisch veränderliches M-Feld Funktionsweise wie beim geschlossenen Schwingkreis 0 5

6 Hertzsche Wellen elektromagnetischen Schwingungen im Dipol mit hoher Frequenz Ablösen vom Dipol S.287 elektromagnetische Welle kann sich im Raum ausbreiten (Applet) Eigenschaften: geradlinige Ausbreitung Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum durchdringen Isolatoren werden an der Oberfläche elektrischer Leiter reflektiert werden beim Übergang von einem Isolator in einen anderen gebrochen (Brechungsgesetz) werden an einem Hindernis gebeugt bei Überlagerung kann Interferenz auftreten Elektromagnetisches Spektrum Folie radioaktive Strahlung: siehe nächstes Thema Röntgenstrahlung UV-Licht sichtbares Licht IR-Licht Mikrowellen/Radar Fernsehen/Radio Wechselstrom 2 6

7 Senden elektromagnetischer Wellen hochfrequente elektromagnetische Schwingung des Sendedipols breitet sich im Raum aus Hertzsche Welle l Dipol = λ/2 Problem: Sprachschwingungen, Musik haben zu geringe Frequenz, um vom Dipol abgestrahlt zu werden Modulation: Aufprägen einer niederfrequenten (NF) Schwingung auf eine hochfrequente (HF) Trägerschwingung Amplitudenmodulation AM (Fernsehen, LW, MW, KW) Frequenzmodulation FM (UKW) S. 289 NF (Ton) HF Modulation Verstärkung Antenne 3 Empfangen elektromagnetischer Wellen Empfangsdipol wird von den Hertzschen Wellen zu erzwungenen Schwingungen angeregt l Empfangsdipol l Sendedipol f E f 0 Abstimmkreis: - Empfangsdipol regt Schwingkreis zu erzwungenen Schwingungen an - Kondensator verändert Eigenfrequenz des Schwingkreises Es wird der Sender gewählt, dessen Frequenz mit der Eigenfrequenz des Abstimmkreises übereinstimmt (größte induktive Kopplung Amplitude bei Resonanz) Demodulation: Trennung der NF- von der HF- Schwingung durch Gleichrichten und Glätten (Croco) 4 7

8 Empfangen elektromagnetischer Wellen Antenne Abstimmkreis Detektorempfänger: Demodulation Antenne: erzwungene Schwingungen durch Hertzsche Wellen 2 Abstimmkreis: Einstellen des gewünschten Senders (Resonanz) 3 Diode: Demodulation durch Gleichrichten 4 Kopfhörer: NF-Schwingung regt Membran zu mechanischen Schwingungen an Ton Verstärker UV/IR PPT 6 8