6.2.2 Mikrowellen. M.Brennscheidt

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1 6.2.2 Mikrowellen Im vorangegangen Kapitel wurde die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, wie sie im Rundfunk verwendet werden, mit Hilfe eines Hertzschen Dipols erklärt. Da Radiowellen eine relativ große Wellenlänge besitzen, eignen sie sich nicht für weitere physikalische Untersuchungen im Labor. Die weitere Untersuchung von elektromagnetischen Wellen findet deshalb in einem anderen Wellenlängenbereich statt. Besonders gut eignen sich hierzu Mikrowellen mit Wellenlängen im Zentimeterbereich. In den nachfolgenden Experimenten wird ein Generator zur Erzeugung von Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa verwendet. Dies entspricht einer Wellenlänge von ca.. Die Mikrowellen werden mit einem Hochfrequenz Oszillator erzeugt, in dem Elektronen mit einer sehr hohen Frequenz in Schwingung versetzt werden und dabei analog zum Hertzschen Dipol elektromagnetische Wellen abstrahlen. Die Mikrowellen werden über eine Hornantenne in die gewünschte Richtung abgestrahlt. Zur Messung von Mikrowellen kann ein zweiter HF-Oszillator, der ebenfalls in einer Hornantenne eingebaut ist verwendet werden. Die Hornantenne bündelt eintreffende Mikrowellen in Richtung des Oszillators. In diesem werden die Elektronen durch das elektrische Feld der auftreffenden Wellen in Schwingung versetzt. Auf diese Weise wird ein hochfrequenter Wechselstrom induziert der mit einem Amperemeter gemessen werden kann.

2 Experiment 1: Reflexion von Mikrowellen Der Mikrowellensender wird unter einem bestimmten Winkel (Einfallswinkel ) in Richtung einer Metallplatte ausgerichtet. Mit dem Empfänger kann beobachtet werden, dass die Mikrowellen an der Metallplatte reflektiert werden. Der Reflexionswinkel (Ausfallswinkel ) entspricht dabei gerade dem Einfallswinkel. Wird der Einfallswinkel vergrößert, so vergrößert sich auch der Reflexionswinkel und umgekehrt. Wie bereits von mechanischen Wellen bekannt ist, gilt auch hier das Reflexionsgesetz: Experiment 2: Brechung von Mikrowellen In der Mechanik werden Wasserwellen beim Übergang von tiefem in flaches Wasser gebrochen, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im flachen Wasser kleiner ist als in tiefem Wasser. Hierdurch ändert die Welle an der Grenzfläche zwischen tiefem und flachen Wasser ihre Ausbreitungsrichtung (Huygensches Prinzip). Treffen Mikrowellen auf ein anderes Medium so ist der gleiche Effekt zu beobachten. Im Experiment treffen Mikrowellen auf ein für Mikrowellen durchlässiges Plastikprisma. Beim Übergang von Luft in das Prisma ist eine Änderung der Ausbreitungsrichtung zu beobachten. Die Ursache für diese Brechung ist die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektro-

3 magnetischen Wellen im Plastikprisma. In Luft breiten sich die Wellen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus, wohingegen im Prisma die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf ca. 70% der Vakuumlichtgeschwindigkeit absinkt. Analog zur Mechanik ändert sich nach dem Huygenschen Prinzip hierdurch die Ausbreitungsrichtung der Welle. Es gilt das bereits bekannte Snelliussche Brechungsgesetz. Ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit, so entspricht der der Quotient dem sog. Brechungsindex des brechenden Körpers.

4 Experiment 3: Polarisation Abschließend soll nun der Transversalwellencharakter von elektromagnetischen Wellen untersucht werden. Hierzu werden der Mikrowellensender und der Empfänger so gegenübergestellt, dass das Amperemeter eine maximale Auslenkung anzeigt. Zwischen Sender und Empfänger wird nun ein Metallgitter mit parallelen Gitterstäben, deren Abstand ca. 5mm beträgt, eingefügt. Stehen die Gitterstäbe parallel zur Schwingungsebene der Mikrowellen, so sinkt das vom Empfänger gemessene Signal nahezu auf den Wert Null ab. Wird das Gitter um 90 gedreht, so verlaufen die Gitterstäbe senkrecht zur Schwingungsebene der Mikrowellen und das Amperemeter zeigt wieder maximale Auslenkung an. Je nach Ausrichtung können die Mikrowellen also das Metallgitter ungestört passieren oder sie werden vollständig vom Gitter blockiert. Die Ursache für diesen Effekt liegt im Transversalwellencharakter der elektromagnetischen Wellen. Vernachlässigt man die magnetische Feldstärke ( ), so kann eine elektromagnetische Welle in Form einer Sinuskurve dargestellt werden, die die Schwingung der elektrischen Feldstärke verdeutlicht. Sind die elektrischen Feldstärkevektoren der Welle nun parallel zu den Gitterstäben ausgerichtet, so werden die Elektronen in den Gitterstäben durch das sich ändernde elektrische Feld der Welle in Schwingung versetzt. Die Energie der Welle wird hierdurch vom Metallgitter absorbiert. Stehen die Gitterstäbe jedoch senkrecht zu den Feldstärkevektoren, so können Elektronen in den relativ dünnen Gitterstäben nicht in Schwingung versetzt werden und die Welle gibt so gut wie keine Energie an das Metallgitter ab. In dieser Position können die Mikrowellen das Gitter nahezu ungestört passieren. Anmerkend ist zu sagen, dass das beschriebene Experiment nur funktioniert, wenn die Schwingungsebene aller vom Sender abgestrahlten Mikrowellen gleich ist. Man spricht in diesem Fall von linear

5 polarisierten Wellen. Unter Polarisation versteht man die Orientierung der Feldstärkevektoren von elektrischen Wellen. Schwingen die Feldstärkevektoren mehrerer Wellen in einer gemeinsamen Ebene so, sind die Wellen linear polarisiert. Variiert die Schwingungsebene von Welle zu Welle so liegen die Wellen unpolarisiert vor.

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