20. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Präsentation zum Thema: "20. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen"—  Präsentation transkript:

1 20. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Wiederholung: Kondensator Spule 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, … Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

2 20.1 Elektromagnetische Schwingungen
Versuch: Der LC-Schwingkreis 6 V C L Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen. Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

3 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
LC-Schwingkreis elektrische Energie magnetische Energie magnetische Energie elektrische Energie Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
LC-Schwingkreis 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. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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

6 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

7 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

8 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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

10 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

11 U I U I U Feldverteilung in der Umgebung der /2-Antenne
Spannung und Strom in der /2-Antenne U I U I U Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

12 20.4 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). Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

13 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. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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

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

16 Radiosender und Empfänger
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

17 Spektrum elektromagnetischer Wellen
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

18 Spektrum elektromagnetischer Wellen
f(Hz) l (m) 4 Niederfrequenz 10 –10 technische Wechselströme, Tonfrequenzen von Mikrophonen 3 4 Langwellen Mittelwellen Kurzwellen 10 –10 2 10 –10 Rundfunk 10 –10 Ultrakurzwellen 1–10 –1 –3 Fernsehen, VHF MHz, UHF MHz Radar Mikrowellen 10 –4 –10 –3 Energieübertragung –7 Infrarot 8·10 – –7 LICHT 4·10 – 8·10 Ultraviolett – 4·10 –7 Hg-Lampe Röntgenstrahlung 10 –14 –10 –8 g Strahlen 10 –14 –10 - Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

19 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Braunsche Röhre Braunsche Röhre 1897 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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

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

22 horizontaler Strahlrück- sprung
Bildentstehung 1. Halbbild 2. Halbbild Gesamtbild horizontaler Strahlrück- sprung vertikaler Strahlrück- sprung Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

23 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Bildsignal Z B 100% 75% schwarz 10% weiß 1MHz 1,25MHz 5,5MHz 0,5 8MHz UHF Bildsender Farbträger Tonsender Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

24 Titel: Röntgenstrahlen
X-Rays Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

25 Wilhelm Conrad Röntgen
1895 Wilhelm Conrad Röntgen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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

27 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Streuprozess Je nach Abstand zum Kern und Geschwindigkeit wird unterschiedlich stark gebremst. Bremsstrahlung mit beliebigem >min Bremsstrahlung Elektron Kern relative Strahldichte Röntgenphoton, max E Elektron = 100kV 80kV 50kV 35kV 20kV 12,4pm 15,5pm 24,8pm 35,4pm 61,9pm Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

28 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Wechselwirkungen WW1 Ionisierung Anodenatom Röntgen- photon charakteristische Röntgenstrahlung Ekin, e Ekin,e WW2 Abbremsung um Atomkern Brems- strahlung kontinuierliche Röntgenstrahlung Ekin, e WW3 elast. Stoß m. Anodenatom Ekin, Atom Ekin, e Wärme Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

29 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

30 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Max von Laue  d d·cos 1912 Max von Laue Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

31 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Röntgenaufnahmen Brustkorb Kieferpanorama Kniegelenk gesund Arthrose Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

32 Computertomographie CT
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

33 20.6 Maxwellsche Theorie Die Hertzschen Versuche und
die Maxwellsche Theorie Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

34 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
20.6 Maxwellsche Theorie Theoretische Überlegungen von James Clark Maxwell (1831 – 1879) ergaben für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c0 der elektromagnetischen Wellen: c0 ... Ausbreitungsgeschwindigkeit µ0... magnetische Feldkonstante µo = 4π•10-7Vs/(Am) ε0 … elektrische Feldkonstante ε0 = 8, • As/(Vm) Maxwell zeigte, dass elektromagnetische Wellen und Licht die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit (im leeren Raum) aufweisen. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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

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

37 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Kraftgesetze B v v Q E v F v F v v E . Q F = ) B v ( . Q F = Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

38 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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

40 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Heinrich Hertz Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Ende