parallele Seiten:
     
|
Physik, 12 EM Felder und Wellen - der
Hertz´sche Dipol |
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. |
|
 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
Antennenschwingkreis wird aufgebogen. |
 Dabei
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. |
|
 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. |
|
|
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 |
letzte Änderung:
4.5.2005 |
