Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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20. 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
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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20.1 Elektromagnetische Schwingungen
Versuch:
6 V
Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen.Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet.
Der LC-Schwingkreis
C L
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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elektrische Energie magnetische Energie
elektrische Energiemagnetische Energie
LC-Schwingkreis
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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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
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Frequenz der Schwingung:
Kondensator: CUI effeff Spule: L
UI effeff
Da durch beide derselbe Strom fließt, setzen wir gleich:
L
UCU eff
eff
CL
12
( = 2πf)
CL2
1f
Thomsonsche Schwingungsformel
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Die Schwingung, die ein LC-Schwingkreis ausführt, ist gedämpft und kommt infolge der Verluste an den Leitungswiderständen zum Stillstand.
Abhilfe: Rückkopplung
10k
10k
800W / 1600W
Kopfhörer
1000µF(1µF)(0,1µF)
BD135
+
-
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.
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Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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10k
10k
800W / 1600W
Kopfhörer
1000µF(1µF)(0,1µF)
BD135
+
-
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
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2
geschlossener geschlossener SchwingkreisSchwingkreis
L sinktL sinkt
C sinktC sinkt
LC2
1f
steigtsteigt
offener offener SchwingkreisSchwingkreis
20.2 Der Offene Schwingkreis
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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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
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IIII
Feldverteilung in der Umgebung der Feldverteilung in der Umgebung der /2-Antenne/2-Antenne
Spannung und Strom in der Spannung und Strom in der /2-Antenne/2-Antenne
UU UUUU
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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20.4 Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen
Sendeantenne
Empfangsantenne
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).
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20.4.1 RundfunkAmplitudenmodulation:
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.
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TonschwingungenTonschwingungen HF-SchwingungenHF-Schwingungen AM-HF-SchwingungenAM-HF-Schwingungen
RadiosenderRadiosender
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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ModulierterModulierter HF-StromHF-Strom
Modulierter Modulierter pusierender pusierender GleichstromGleichstrom
Tonfrequenz Tonfrequenz verstärktverstärkt
EmpfängerEmpfänger
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Radiosender und Empfänger
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Spektrum elektromagnetischer Wellen
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Mikrowellen 10–4–10 –3 Energieübertragung
f(Hz) (m)
4Niederfrequenz 10 –10 technische Wechselströme,Tonfrequenzen vonMikrophonen
3 4Langwellen
Mittelwellen
Kurzwellen
10 –10
102–10
3
10 –102
Rundfunk
10 –10
Ultrakurzwellen 1–10
10–1–1
–3 –1
Fernsehen,VHF 30-300MHz,UHF 300-3000MHz
Radar
–7Infrarot 8·10 –
–7LICHT 4·10 – 8·10 –7
Ultraviolett – 4·10–7 Hg-Lampe
Röntgenstrahlung 10–14 –10–8
Strahlen 10–14 –10
–10-
Spektrum elektromagnetischer WellenSpektrum elektromagnetischer Wellen
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Braunsche Röhre
Braunsche RöhreBraunsche Röhre
18971897
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Braunsche RöhreKathodenstrahlröhreKathodenstrahlröhre
GlühkathodeGlühkathode
ElektronenstrahlElektronenstrahl
LeuchtschirmLeuchtschirm
magnetisches Ablenksystemmagnetisches Ablenksystem
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Videokamera
ElektronenstrahlElektronenstrahl
VideosignalVideosignal
lichtempfindlicheSchicht
lichtempfindlicheSchicht AblenkspulenAblenkspulen
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Bildentstehung
1. Halbbild 2. Halbbild
Gesamtbild
horizontaler Strahlrück-
sprung vertikaler Strahlrück-sprung
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Z Z ZB100%
75% schwarz
10% weiß
1MHz 1,25MHz 5,5MHz 0,5
8MHz
UHF
Bildsender Farbträger Tonsender
Bildsignal
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Titel: Röntgenstrahlen
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Wilhelm Conrad Röntgen
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Entdeckung Erzeugung30kV
Glühkathode
Wehneltzylinder
Röntgenstrahlen
Anode
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Elektron
Kern
Streuprozess
Je nach Abstand zum Kernund Geschwindigkeit wirdunterschiedlich stark gebremst.
Bremsstrahlung mit beliebigem >min
eU
hc
E
chchfhE min
100kV 80kV 50kV 35kV 20kV
12,4pm 15,5pm 24,8pm 35,4pm 61,9pm
Röntgenphoton, maxE E
Elektron=
relativeStrahldichte
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Ekin,e
WW3elast. Stoß m. Anodenatom
Ekin, Atom
Ekin, e
Wärme
WW2
Abbremsung um Atomkern
Brems-strahlung
kontinuierlicheRöntgenstrahlung
Ekin, e
WW1IonisierungAnodenatom
Röntgen-photon
charakteristischeRöntgenstrahlung
Ekin, e
Wechselwirkungen
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Max von Laue
d
d·cos
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Röntgenaufnahmen
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ComputertomographieCT
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20.6 Maxwellsche Theorie
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Theoretische Überlegungen von James Clark Maxwell (1831 – 1879) ergaben für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c0 der elektromagnetischen Wellen:
000
1c
c0 ... Ausbreitungsgeschwindigkeit µ0... magnetische Feldkonstante µo = 4π•10-7Vs/(Am)ε0 … elektrische Feldkonstante ε0 = 8,854187818 • 10-12 As/(Vm)
Maxwell zeigte, dass elektromagnetische Wellen und Licht die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit (im leeren Raum) aufweisen.
20.6 Maxwellsche Theorie
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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Ladungen erzeugenelektrische Felder.
Es gibt keinemagnetischen Monopole.
Maxwellsche Gesetze (1 und 2)
QE
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Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld.
Ströme erzeugenmagnetische Felder.
Ein veränderliches E-Felderzeugt ein veränderliches B-Feld.
~
B
E
B
E
Maxwellsche Gesetze (3 und 4)
~
dt
dsdE m
2. Maxwell-Gleichung dt
dsdB e
00
1. M-Gl.
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
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E.QF
B
E
)Bv(.QF
Q v
F
Kraftgesetze
F
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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
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Entstehung einer elektromagnetischen WelleEin veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld.Ladungen erzeugen
elektrische Felder.
Ströme erzeugen magnetische Felder. Ein veränderliches
B-Feld erzeugt ein veränderlichesE-Feld.
Q
I B
E
E
E
B
E
B
B
B
E
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40
EndeEnde
Heinrich Hertz