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Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 1 20. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Wiederholung: Das elektr. Feld des Kondensators ist ein Energiespeicher:

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2 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Wiederholung: Das elektr. Feld des Kondensators ist ein Energiespeicher: Werden die beiden Anschlüsse des Kondensators leitend verbunden, fließt ein Entladestrom. Anwendungen: Glättung von pulsierendem Gleichstrom, Blitzgerät,... Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ist ein Energiespeicher:Hört der Stromfluss auf, bricht das Magnetfeld zusammen und induziert in der Spule einen Strom. Anwendungen: Zündspule, … Kondensator Spule

3 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Schwingungen Versuch: 6 V Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen. Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet. Der LC-Schwingkreis CL

4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 3 elektrische Energiemagnetische Energie elektrische Energiemagnetische Energie LC-Schwingkreis

5 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 4 Der Kondensator entlädt sich über die Spule. In der Spule wird ein Magnetfeld aufgebaut. Ist der Kondensator entladen, bricht das Magnetfeld zusammen, wodurch eine Induktionsspannung induziert wird.  Induktionsstrom fließt (Lenzsche Regel) in derselben Richtung weiter und lädt den Kondensator entgegengesetzt auf. usw. Aufgrund des Ohmschen Widerstandes der Leitungen nimmt die Schwingungsamplitude ab. LC-Schwingkreis

6 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 5 Frequenz der Schwingung: Kondensator: Spule: Da durch beide derselbe Strom fließt, setzen wir gleich: (  = 2πf) Thomsonsche Schwingungsformel

7 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 6 Die Schwingung, die ein LC-Schwingkreis ausführt, ist gedämpft und kommt infolge der Verluste an den Leitungswiderständen zum Stillstand. Abhilfe: Rückkopplung Baue mit den Schülerübungsgeräten die folgende Rückkopplungs- schaltung nach! Der Schwingkreis besteht aus dem Kondensator und der Spule mit 1600 Windungen. Eine zweite Spule mit 800 Windungen ist induktiv an die Schwing- kreisspule gekoppelt. Sie hat die Aufgabe, die Basis eines Transistors anzusteuern und so im Takt des Schwingkreises den Transistor im richtigen Augenblick leitend zu machen, um die durch ohmsche Verluste "verlorene" Energie nachzu- liefern. Der veränderliche Widerstand (10k) dient zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors.

8 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 7

9 8 Versuch 1: Verwende den Kondensator 1000µF und schalte ein Voltmeter mit 0 ‑ Punkt in der Mitte parallel zum Schwingkreis. Ergebnis: Versuch 2: Entferne das Voltmeter von vorhin und verwende den 1µF- Kondensator. Stecke einen Kopfhörer in die dafür vorgesehene Buchse. Verschiebe das Joch des Eisenkerns! Ergebnis:

10 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 9 geschlossener Schwingkreis L sinkt C sinkt steigt offener Schwingkreis 20.2 Der Offene Schwingkreis

11 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 10 Wir bezeichnen diesen offenen Schwingkreis oft auch als /2-Dipol. Die Antennenlänge ist gleich der halben Wellenlänge. Versuch: Mit einem Dezimeterwellensender untersuchen wir den λ/2 – Dipol.

12 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 11 II Feldverteilung in der Umgebung der /2-Antenne Spannung und Strom in der /2-Antenne U UU

13 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen Die Sendeantenne wird induktiv an den Hochfrequenzkreis gekoppelt. Mit einer gleich langen Antenne, in deren Mitte sich ein Glühlämpchen befindet, empfangen wir das Signal. Maximaler Empfang, wenn die beiden Antennen || sind. Dreht man die Empfangsantenne um 90°, erhält sie kein Signal mehr.  Elm. Wellen sind linear polarisiert (Richtung des E-Vektors).

14 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Rundfunk Amplitudenmodulation: NF-Signale im Tonbereich können als elm. Welle nicht abgestrahlt werden. Daher benötigen wir ein HF-Signal als Trägerwelle mit konstanter Amplitude. Das NF-Signal wird der Trägerwelle überlagert. Dieses wird nicht addiert, sondern moduliert. Dabei gibt es Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und Phasenmodulation.

15 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 14 Tonschwingungen HF-Schwingungen AM-HF-Schwingungen Radiosender

16 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 15 Modulierter HF-Strom HF-Strom Modulierter pusierender Gleichstrom Tonfrequenz verstärkt Empfänger

17 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 16 Radiosender und Empfänger

18 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 17 Spektrum elektromagnetischer Wellen

19 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 18 Mikrowellen10 –4 –10 –3 Energieübertragung f(Hz) (m) 4 Niederfrequenz10 –10technische Wechselströme, Tonfrequenzen von Mikrophonen 34 Langwellen Mittelwellen Kurzwellen 10– – –10 2 Rundfunk 10–10 Ultrakurzwellen1–10 10 –1 –3 –1 Fernsehen, VHF MHz, UHF MHz Radar –7 Infrarot8·10– –7 LICHT4·10 – 8·10 –7 Ultraviolett– 4·10 –7 Hg-LampeRöntgenstrahlung10 –14 –10 –8  Strahlen 10 –14 –10 - Spektrum elektromagnetischer Wellen

20 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 19 Braunsche Röhre 1897

21 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 20 Braunsche Röhre Kathodenstrahlröhre Glühkathode Elektronenstrahl Leuchtschirm magnetisches Ablenksystem

22 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 21 Videokamera Elektronenstrahl Videosignal lichtempfindliche Schicht Ablenkspulen

23 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 22 Bildentstehung 1. Halbbild2. Halbbild Gesamtbild horizontaler Strahlrück- sprung vertikaler Strahlrück- sprung

24 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 23 ZZ Z B 100% 75% schwarz 10% weiß 1MHz1,25MHz5,5MHz0,5 8MHz UHF Bildsender FarbträgerTonsender Bildsignal

25 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 24 Titel: Röntgenstrahlen

26 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 25 Wilhelm Conrad Röntgen

27 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 26 Entdeckung Erzeugung 30kV Glühkathode Wehneltzylinder Röntgenstrahlen Anode

28 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 27 Elektron Kern Streuprozess Je nach Abstand zum Kern und Geschwindigkeit wird unterschiedlich stark gebremst.  Bremsstrahlung mit beliebigem > min 100kV80kV50kV35kV20kV 12,4pm15,5pm24,8pm35,4pm61,9pm Röntgenphoton, max EE Elektron = relative Strahldichte

29 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 28 E kin,e WW 3 elast. Stoß m. Anodenatom E kin, Atom E kin, e Wärme WW 2 Abbremsung um Atomkern Brems- strahlung kontinuierliche Röntgenstrahlung E kin, e WW 1 Ionisierung Anodenatom Röntgen- photon charakteristische Röntgenstrahlung E kin, e Wechselwirkungen

30 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 29

31 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 30 Max von Laue d d·cos  

32 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 31 Röntgenaufnahmen

33 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 32 Computertomographie CT

34 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Maxwellsche Theorie

35 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 34 Theoretische Überlegungen von James Clark Maxwell (1831 – 1879) ergaben für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c 0 der elektromagnetischen Wellen: c 0... Ausbreitungsgeschwindigkeit µ 0... magnetische Feldkonstante µ o = 4π10 -7 Vs/(Am) ε 0 … elektrische Feldkonstante ε 0 = 8, As/(Vm) Maxwell zeigte, dass elektromagnetische Wellen und Licht die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit (im leeren Raum) aufweisen Maxwellsche Theorie

36 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 35 Ladungen erzeugen elektrische Felder. Es gibt keine magnetischen Monopole. Maxwellsche Gesetze (1 und 2) Q E 

37 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 36 Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld. Ströme erzeugen magnetische Felder. Ein veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld. ~ B  E   B  E   Maxwellsche Gesetze (3 und 4) ~ 2. Maxwell-Gleichung 1. M-Gl.

38 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 37   E. QF  B  E  )Bv(. QF     Q v  F  Kraftgesetze F 

39 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 38 Merksätze (1)Ladungen erzeugen elektrische Felder. (  E – Quellenfeld) (2)Es gibt keine magnetischen Monopole. (  B – Wirbelfeld) (3)Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld. (4a)Ströme erzeugen magnetische Felder. (4b)Ein veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld.

40 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 39 Entstehung einer elektromagnetischen Welle Ein veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld. Ladungen erzeugen elektrische Felder. Ströme erzeugen magnetische Felder. Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld. Q I B  E  E  E  B  E  B  B  B  E 

41 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 40 Ende Heinrich Hertz


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