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Wechselstrom Schwingkreis Dipol Beugung am Spalt Polarisation Bragg Reflexion

Physik, 12 EM Felder und Wellen - der Hertz´sche Dipol

Abstrahlung Ausbreitung

Übersicht

Wenn man in einem Schwingkreis Kapazität und Induktivität soweit verkleinert, dass die Kondensatorplatten durch zwei Drahtenden und die Spule durch ein Leiterstück ersetzt werden kann, dann erhält man, wegen , einen Schwingkreis mit hoher Eigenfrequenz. Die für den geraden Draht eigentlich nicht mehr zutreffende Bezeichnung "Schwingkreis" ersetzt man nun besser durch "Dipol", zu Ehren von Heinrich Hertz (1857 - 1894) Hertzscher Dipol genannt.

 

Abstrahlung elektromagnetischer Wellen

In einem elektrischen Schwingkreis baut sich zwischen den Kondensatorplatten periodisch ein homogenes elektrische Feld (orange) auf und ab.

Magnetische Felder entstehen auch im leeren Raum, wenn sich die elektrischer Feldstärke ändert. Schon Faraday vermutete, dass sich beim Laden eines Kondensators die kreisförmig um den Strom führenden Draht liegenden magnetischen Feldlinien kontinuierlich in den Raum zwischen die Platten fortsetzen. Der Ladestrom ändert die Ladung auf den Platten. Die Ladung erzeugt zwischen den Platten das elektrische Feld (Gaußscher Satz). Solange ein  Strom im Draht fließt, ändert sich das elektrisches Feld.

Das sich zeitlich ändernde elektrische Feld ist - wie der Strom im Leiter - von kreisförmigen magnetischen Feldlinien umgeben. Somit setzt sich das Magnetfeld um den Draht stetig in den Raum fort. Analog ist die zeitliche Feldänderung die Fortsetzung des Stroms im Draht, man bezeichnet sie als Verschiebungsstrom.
Nun ist aber auch das sich zeitlich ändernde magnetische Feld seinerseits von einem sich zeitlich ändernden elektrischen Wirbelfeld umschlossen. Dieses wiederum wird von einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld umschlossen, das von einem elektrischen Wirbelfeld umschlossen wird usw.
 

Dies führte Maxwell 1868 zu der Voraussage:

Ein sich zeitlich änderndes elektromagnetisches Feld breitet sich im Raum als elektromagnetische Welle aus.

Im Schwingkreis mit Plattenkondensator kann das Streufeld am Rande und außerhalb der Platten meist vernachlässigt werden, weil die Energie im wesentlichen im homogenen Feld zwischen den Platten lokalisiert ist. Im Dipol dagegen steckt die ganze Energie in den Streufeldern, weil es den Bereich des homogenen Feldes zwischen den Platten gar nicht gibt.

Das Bild zeigt einen Parallelschwingkreis.Die Energieübertragung von einem schwingenden System auf ein anderes sind von gekoppelten den Pendeln und vom Transformator bekannt. Beide haben dieselbe Eigenfrequenz. Der linke Schwingkreis (Antenne) liefert den Energienachschub und der rechte wird strahlt die Energie in Form in Wechselfeldern ab.

Der Parallelschwingkreis mit leicht geöffneten Kondensatorplatten.Der Antennenschwingkreis wird aufgebogen.

Die Kondensatorplatten sind nun schon sehr weit auseinandergezogenDabei sinkt wegen des vergrößerten Abstands die Kapazität des Kondensators und die ursprüngliche Eigenfrequenz erhöht sich.

Bei einem weiteren Auseinanderbringen der Kondensatorplatten haben die elektrischen Feldlinien einen immer größeren Weg zurückzulegen.

Ein Dipol mit induktiver Speisung ist entstanden.Der Kondensator ist als solcher gar nicht mehr zu erkennen. Die Feldlinien des elektrischen Feldes treten in den freien Raum über. Diese Feldlinien sind wie im einfachen Schwingkreis, da zeitlich veränderlich, von einem kreisförmigen Magnetfeld umgeben.

Beim einfachen Schwingkreis wandelte sich die im homogenen elektrischen Feld gespeicherte Energie in das homogene magnetische Feld der Spule um. Auf Grund der Formänderung des Kondensator ist das Feld aber nun sehr inhomogen. Die Feldlinien fließen nicht mehr in den Kondensator zurück, sondern schnüren sich ab.

Die Entstehung elektromagnetischer Wellen erklärt sich aus den Maxwellgleichungen: Die zeitliche Änderung des elektrischen Feldes ist stets mit einer räumlichen Änderung des magnetischen Feldes verknüpft. Ebenso ist wiederum die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes mit einer räumlichen Änderung des elektrischen Feldes verknüpft. Für periodisch wechselnde Felder ergeben diese Effekte zusammen eine fortschreitende Welle, deren E- und B-Feld senkrecht zueinander stehen.

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Ausbreitung

Um der Beschreibung elektromagnetischen Welle etwas Komplexität (E- und B-Feld sind Phasen verschoben) zu nehmen, wird die Ausbreitung der Welle meistens erst ab einer gewissen Distanz von der Sendeantenne betrachtet. Man betrachtet das Fernfeld der elektromagnetischen Welle. Das Fernfeld beginnt etwa ab der vierfachen Wellenlänge der abgestrahlten Funkwelle vom Funksender entfernt. Das Fernfeld hat nämlich den Vorteil, dass die elektromagnetische Welle als eine TEM-Welle vereinfacht angesehen werden darf. TEM bedeutet dabei Transversal ElektromMagnetisch, womit gemeint ist, dass das elektrische und das magnetische Feld in Phase und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle stehen.

© Walter Fendt, 20. September 1999

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letzte Änderung: 4.5.2005