Untersuche, überlege, forsche: λ/2-Dipol 45.1 W1 Die Schwingungsvorgänge in der Antenne entsprechen den Saitenschwingungen, die wir in der Mechanik kennengelernt haben. Vergleiche die beiden Schwingungsvorgänge und beschreibe ihre Analogien mit den jeweiligen Fachbegriffen. 4.2 Entstehung elektromagnetischer Wellen Wie verursachen die im Dipol schwingenden Ladungen und ihre Felder die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen? Regt man in einem offenen Schwingkreis (Dipol) elektromagnetische Schwingungen an, so entstehen elektrische und magnetische Felder, die sich ständig ändern. Diese Feldänderungen breiten sich wie „Schockwellen“ mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. Beschleunigte Ladungen erzeugen vom Dipol abgelöste elektromagnetische Wellen. Ihre Entstehung erklärt sich über die Veränderung des elektrischen Feldes, die zu einem veränderlichen Magnetfeld führt. Veränderliche Magnetfelder rufen wiederum veränderliche elektrische Felder hervor usw. Vom Dipol löst sich eine Kette elektrischer und magnetischer Felder und breitet sich im Raum aus. Die Felder sind auch dann noch vorhanden und breiten sich weiterhin aus, wenn der Sender schon lange abgeschaltet wurde. Im Bereich einer „Schockwelle“ ist die Dichte der Feldlinien besonders hoch, also die Feldstärke groß. 45.2 zeigt, dass die elektrischen Feldlinien am dichtesten in der Richtung senkrecht zum Dipol liegen und der elektrische Feldvektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht. Elektromagnetische Wellen sind daher Transversalwellen, welche sich ohne Medium im Raum ausbreiten können (Dies gilt genau genommen nur für das so genannte „Fernfeld“, also nicht in der unmittelbaren Nähe des Dipols). Damit kann auch erklärt werden, warum Dipole vorwiegend senkrecht zur Dipolachse abstrahlen: Das mit Lichtgeschwindigkeit nach außen laufende veränderliche elektrische Feld ist nach dem zweiten Maxwell’schen Feldgesetz (siehe S. 46) von veränderlichen magnetischen Feldlinien umgeben. Sie stehen senkrecht zum elektrischen Feld und zur Ausbreitungsrichtung. Beschleunigte Ladungen erzeugen veränderliche elektromagnetische Felder, die sich wie Wellen mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten. Hertz hatte sich das Ziel gesetzt, die von Maxwell vorhergesagten elektromagnetischen Wellen zu finden und konnte mit seinen Versuchen (45.3) die wesentlichen Eigenschaften transversaler Wellen nachweisen: Reflexion, Polarisation und Beugung. Heute kann man die Hertz’schen Experimente mit einem kleinen Sender wiederholen, bei dem ein λ/2-Dipol Wellen mit einer Länge von 3 cm (Mikrowellen) aussendet. Es kann gezeigt werden, dass ein λ/2-Dipol Wellen aussendet, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und auch andere Eigenschaften aufweisen, die wir von Lichtwellen kennen: Reflexion, Interferenz, Beugung und Polarisation. Die Übereinstimmung der Eigenschaften elektromagnetischer Wellen mit denjenigen des Lichtes legt die folgende Vermutung nahe: Da Licht das Verhalten von elektromagnetischen Wellen zeigt, liegt nahe, dass auch Licht eine elektromagnetische Welle ist. Die Resultate von Maxwell und Hertz ermöglichen die Aufstellung einer elektromagnetischen Lichttheorie, welche zwei zuvor völlig getrennt erscheinende Gebiete der Physik, nämlich Elektrizitätslehre und Optik, vereint. Alle optischen Erscheinungen lassen sich aus den Maxwell’schen Feldgesetzen erklären (siehe S. 46). 45.1 Schwingende Elektronen in einem Dipol (Sendeantenne) rufen eine elektromagnetische Welle hervor. Hier sind die beiden Felder nicht durch Feldlinien dargestellt, sondern durch Pfeile, welche die Feldstärke in verschiedenen Punkten angeben. E B 45.2 Durch schwingende Ladungen erzeugte elektrische und magnetische Felder lösen sich vom Dipol ab. Beschleunigte Ladungen erzeugen veränderliche elektromagnetische Felder, die sich wie Wellen mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten. 45.3 Illustration, die Heinrich Hertzs Spiegelversuch mit schwingenden und reflektierenden Metallblechen darstellt. Im Jahr 1886 gelang Hertz der experimentelle Nachweis der von Maxwell vorhergesagten elektromagnetischen Wellen. 45 4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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