Hertz'scher Dipol
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Hertz'scher Dipol
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Elektrische Schwingungen und Wellen<br />
1. Wechselströme<br />
2. Elektrischer Schwingkreis<br />
i. Freie Schwingung<br />
ii. Erzwungene Schwingung<br />
iii. Tesla Transformator<br />
3. Elektromagnetische Wellen<br />
i. Wellen<br />
ii. Elektromagnetische Wellen<br />
iii. Hertzscher <strong>Dipol</strong><br />
iv. Wellenausbreitung im Vakuum<br />
v. Wellen auf Leitungen<br />
Hertz‘scher <strong>Dipol</strong><br />
C und L werden immer kleiner gemacht, damit erhöht sich die Resonanzfrequenz!<br />
Extremfall: Ein Stück Leiter mit Länge l, wie groß wird die Resonanzfrequenz?<br />
Leiter: L = l L‘ Induktivität = Länge x Induktivität/Länge<br />
C = l ε C‘ Kapazität = Länge x Dielektrizitätskonstante der Umgebung x<br />
Kapazität/Länge<br />
1<br />
ω =<br />
res<br />
1<br />
ε<br />
l r<br />
1<br />
L'C'<br />
ω res steigt mit Verkürzung des <strong>Dipol</strong>s und hängt von Umgebung ab<br />
1
Feldverteilung<br />
L und C: Felder konzentriert auf Inneres der Spule bzw Kondensator<br />
außerhalb der Elemente Felder ~ 0<br />
Hetzscher <strong>Dipol</strong>: Felder reichen weit nach außen<br />
Umgebung spürt Felder<br />
Feldverteilung<br />
eines <strong>Dipol</strong>s<br />
Die in der ersten<br />
Schwingungsperiode<br />
erzeugten E- und B-Felder<br />
breiten sich im Raum aus,<br />
dann wechseln die<br />
Vorzeichen und die äußeren<br />
Feldbereiche schnüren und<br />
koppeln sich ab<br />
(Seifenblase!)<br />
Energie wird abgestrahlt:<br />
Schwingkreis wird gedämpft<br />
2
Abstrahlung Hertz‘scher <strong>Dipol</strong><br />
Felddarstellung: elektrisches Feld<br />
Abstrahlung Hertz‘scher <strong>Dipol</strong><br />
Poynting Darstellung: Punktdichte prop zu Energie<br />
3
Erzwungene Schwingung<br />
Ohmsche Verluste in Leiter und angestrahlte Energie dämpfen Schwingkreis<br />
Aufrechterhaltung durch Wechselspannugsquelle<br />
Resonanz<br />
Damit vom Sender effektiv Energie abgestrahlt werden kann, muss er<br />
in Resonanz mit dem <strong>Dipol</strong> sein.<br />
Resonanzbedingung: Wellenlänge muss gleich 2 l sein<br />
Stationäre Strom und Spannungsverteilung<br />
Randbedingung: offenes Ende Strom muss null werden<br />
maximale Spannung zwischen Enden<br />
Experiment: Wellenlänge λ = 2,4 m ⇒ <strong>Dipol</strong>länge =1,2m<br />
4
Elektrischer<br />
Sender<br />
Nachweis der Verteilung<br />
Schleife mit Glimmlampe<br />
Nachweis von B bzw I<br />
Entladungslampe<br />
Nachweis von E bzw U<br />
Spannung auf Leiter hängt vom Ort ab!!! Stehende Welle<br />
≈<br />
Hertzscher <strong>Dipol</strong><br />
Nachweis<br />
von Strom<br />
Sendedipol<br />
Erzwungene Schwingung Empfangsdipol<br />
Sendedipol f = 125MHz<br />
λ = c/f = 2.4m Wellenlänge<br />
Optimaler Empfang, wenn<br />
Empfänger und Sender in<br />
Resonanz<br />
1<br />
ω =<br />
res<br />
1<br />
ε<br />
l r<br />
1<br />
L'C'<br />
Abstimmung über Länge<br />
Empfänger = Sender<br />
oder<br />
Dielektrizitätskonstante<br />
5
Hertzscher <strong>Dipol</strong> in Wasser<br />
Optimaler Empfang, wenn Empfänger und Sender in Resonanz<br />
1<br />
ω =<br />
res<br />
1<br />
ε<br />
l r<br />
1<br />
L'C'<br />
Abstimmung über Länge: Optimum<br />
Länge Empfänger = Länge Sender<br />
Aber Länge hängt auch von Eigenschaften des umgebenden Medium<br />
ab:<br />
Wasser: ε r = 81<br />
Verhältnis <strong>Dipol</strong>länge Luft : <strong>Dipol</strong>länge Wasser = 1 : √ε r = 1 : 9<br />
Abstrahlcharakteristik eines <strong>Dipol</strong>s<br />
In welche Richtung strahlt ein <strong>Dipol</strong> ab?<br />
Die maximale Abstrahlung erfolgt normal zur <strong>Dipol</strong>achse<br />
Keine Abstrahlung in Richtung der <strong>Dipol</strong>achse<br />
P(θ) prop sin(θ) 2<br />
θ<br />
6
Polarisation<br />
Polarisation gibt die Richtung des elektrischen Feldes an<br />
Ausbreitungsrichtung<br />
<strong>Dipol</strong>: E parallel zu Stabachse und daher normal auf Ausbreitungsrichtung<br />
Nachweis: Empfangsdipol nur empfangsfähig, wenn Stabachse<br />
parallel zu Polarisationsrichtung, d.h. Richtung des E Feldes<br />
Hertzscher <strong>Dipol</strong> mikroskopisch<br />
+ + +<br />
Ortsfeste positive Kerne<br />
Frei bewegliche Elektronen<br />
Neutrales Metall:<br />
Ladungsschwerpunkte gleich<br />
Zeitabhängiges <strong>Dipol</strong>moment<br />
p<br />
r<br />
Schwerpunkt +q<br />
Auslenkung d<br />
Schwerpunkt -q<br />
Wechselfeld ( E 0 sin(ωt) ) angelegt:<br />
Elektronen schwingen relativ zu Kernen<br />
Ladungsschwerpunkte verschoben<br />
Beschreibung mit <strong>Dipol</strong>moment p = q d 0<br />
r<br />
( ) ( ) z e t qd t d q t = = 0 sinω<br />
Wie groß ist max. Auslenkung d0 ?<br />
Weg nach viertel Periode T: d = v T/4 v Driftgeschwindigkeit > d0 r<br />
7
Theorie des Hertzschen <strong>Dipol</strong>s<br />
Allgemein: zeitabhängige Strom- und Ladungsverteilung<br />
Berechnung von Potenzial bzw. Vektorpotenzial als Funktion<br />
von Ort und Zeit, B und E daraus berechnen<br />
r 12 P<br />
r 2 r1<br />
0<br />
( r t )<br />
Leiter mit Ladungsdichte ρ<br />
Wechselstrom Oszillationen Stromdichte j = ρ v<br />
Stromdichte verknüpft mit Vektorpotenzial A<br />
Vektorpotenzial in P gegeben<br />
j<br />
( )<br />
( r2<br />
)<br />
A r1<br />
∫ dV2<br />
r<br />
∝<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r<br />
Stationäre Stromdichte<br />
Vektorpot zum Zeitpunkt t wird von Stromdichte zu Zeitpunkt t-∆t bestimmt<br />
∆t = Abstand/ Lichtgeschwindigkeit = r12 /c = Retardierung<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r j<br />
A ∫<br />
( r , t − r / c)<br />
2 12<br />
1,<br />
∝<br />
dV2<br />
r12<br />
12<br />
Zeitliche Änderung des Stroms in r 2<br />
wird in r 1 nur verzögert wahrgenommen<br />
EM Welle breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus<br />
Theorie des Hertzschen <strong>Dipol</strong>s<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r j<br />
( )<br />
( r2,<br />
t − r12<br />
/ c)<br />
A r1,<br />
t ∝ ∫<br />
dV2<br />
r12<br />
Ladungen schwingen mit Frequenz ω<br />
mit j = vρ<br />
∫ ρdV<br />
= q<br />
dp<br />
sowie p()<br />
t = p0<br />
sinωt<br />
und = qv<br />
dt<br />
r r cos<br />
( )<br />
( ωt<br />
− kr ) ω<br />
⇒ A r1,<br />
t ∝ qd0ω<br />
k =<br />
r<br />
c<br />
Aus Vektorpot folgen zwei Terme:<br />
Zeitlich veränderliches Vektorpot,<br />
das sich mit Lichtgeschwindigkeit<br />
ausbreitet<br />
Nahfeld von E und B: r12 ≈ Wellenlänge<br />
Fernfeld von E und B: r12 >> Wellenlänge<br />
Woher kommen die?<br />
∂E<br />
rotB = µ 0 j + µ 0ε<br />
0<br />
∂t<br />
Nahfeld: Magnetfeld durch Strom<br />
im <strong>Dipol</strong> erzeugt<br />
Fernfeld: Magnetfeld durch<br />
Verschiebungsstrom<br />
E im Nahfeld durch Ladungsverteilung (Quellenfeld)<br />
E im Fernfeld durch Induktion dB/dt (Wirbelfeld)<br />
8
Ergebnisse Fernfeld<br />
1. E und B in Phase<br />
2. B konzentrische Kreise um <strong>Dipol</strong>achse, E immer senkrecht auf B<br />
und senkrecht auf Abstandsvektor zum Mittelpunkt<br />
3. E = c B (EM Wellen)<br />
4. In großem Abstand B und E näherungsweise linear polarisierte<br />
ebene Wellen, Ebene senkrecht durch Zentrum<br />
5. Abgestrahltes Feld proportional zu <strong>Dipol</strong>beschleunigung, Amplitude<br />
nimmt mit 1/r ab (Kugelwelle)<br />
2<br />
1 ∂ p&<br />
& ( r , t )<br />
E ∝ B ∝ p(<br />
r , t ) =<br />
2<br />
r ∂t<br />
r<br />
2<br />
1 p0ω<br />
E =<br />
sin(<br />
θ ) sin(<br />
ωt<br />
− kr )<br />
2<br />
4πε<br />
c r<br />
0<br />
Hertzscher <strong>Dipol</strong> Abstrahleigenschaften<br />
Energiestromdichte Poynting Vektor<br />
r 1 r r<br />
1,0<br />
S = E × B<br />
µ<br />
0,8<br />
0<br />
Betrag der mittleren Dichte<br />
0,6<br />
r<br />
2<br />
2 4 sin θ<br />
S ∝ p0<br />
ω 2<br />
r<br />
Gesamte abgestrahlte Leistung<br />
2<br />
0<br />
4<br />
p ω<br />
P =<br />
12πε<br />
c<br />
0<br />
3<br />
0,4<br />
0,2<br />
300<br />
0,0<br />
270<br />
0,2<br />
0,4<br />
0,6 240<br />
0,8<br />
1,0<br />
210<br />
Folgerungen:<br />
1) Abstrahlungscharakteristik eines <strong>Dipol</strong>s: ∝ sin2θ Keine Abstrahlung in Richtung des <strong>Dipol</strong>s<br />
2) Abstandsgesetz: S ∝1/r2 (Energieerhaltung)<br />
3) Frequenzabhängigkeit: ∝ ω4 , 1/λ4 Beispiel: Himmelsblau ("Rayleigh –Streuung")<br />
330<br />
0<br />
180<br />
θ<br />
30<br />
S r<br />
150<br />
60<br />
120<br />
90<br />
9
Abstrahlung einer beschleunigten Ladung<br />
Theorie:<br />
Jede beschleunigte Ladung strahlt wie ein <strong>Dipol</strong> eine<br />
elektromagnetische Welle ab.<br />
Gesamte abgestrahlte Leistung proportional zum Quadrat der<br />
Beschleunigung<br />
2<br />
2e<br />
⎛ dv ⎞<br />
P = 3 ⎜ ⎟<br />
3εc<br />
⎝ dt ⎠<br />
Harmonisch bewegte Ladung: Definition eines „<strong>Dipol</strong>moments“<br />
p(t) = p 0 sin(ωt) = e x 0 sin(w t)<br />
Beschleunigung = d 2 p(t)/dt 2<br />
2 4<br />
2p0ω<br />
P = 3<br />
3εc<br />
Abstrahlcharakteristik wie bei <strong>Dipol</strong>strahlung<br />
2<br />
Abstrahlung einer beschleunigten Ladung<br />
Jede beschleunigte Ladung strahlt Energie ab<br />
Was heisst beschleunigt?<br />
Beispiel: Lineare Teilchenbeschleuniger (LINAC Stanford)<br />
Elektron gewinnt in einem Meter eine kinetische Energie von 10MeV<br />
Abgestrahlte Leistung P ~ 10- 40 (10 MV) 2 = 10 -26 W so gut wie nichts<br />
verlustfrei<br />
Damit Leistung abgestrahlt wird, müsste Energie um 10 14 MeV pro<br />
Meter erhöht werden<br />
Makroskopisch beschleunigte Teilchen strahlen offensichtlich nicht<br />
Welche dann?<br />
10
Röntgenröhre<br />
Elektronen in E-Feld beschleunigt<br />
Auftreffen an Anode:<br />
Kollision mit Atomen<br />
Abbremsung (negative Beschleunigung)<br />
Emission von EM Welle<br />
Elektronen stoßen nicht mit Atomen<br />
zusammen, sondern werden abgelenkt<br />
Synchrotron<br />
Synchrotrons: Elektronen laufen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf<br />
Kreisbahn<br />
Um Elektronen auf Kreisbahn zu halten ist Zentripetalbeschleunigung<br />
erforderlich<br />
11
Synchrotronstrahlung<br />
Elektronen auf Kreisbahn<br />
Geschwindigkeit konstant<br />
aber Richtung wird geändert<br />
(Zentripetalbeschleunigung)<br />
Durch relativistische Effekte<br />
Abstrahlung in Bündel in Richtung<br />
der Geschwindigkeit<br />
Elektromagnetisches<br />
Spektrum<br />
Transversale EM Wellen<br />
Wellenlänge λ<br />
Frequenz f<br />
Lichtgeschwindigkeit c<br />
(2.998 10 8 m/s)<br />
c<br />
λ =<br />
f<br />
Vakuum<br />
12
Mikrowellen<br />
Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen<br />
Wellenlänge im cm bzw. mm Bereich<br />
Eignen sich gut zur Demonstration der Welleneigenschaften von<br />
elektromagnetischer Strahlung<br />
Mikrowellenempfänger<br />
<strong>Dipol</strong><br />
(mit Lautsprecher verbunden)<br />
Absorption von Mikrowellen<br />
Messung der Transmission von Mikrowellen:<br />
Isolatoren: Kunststoff, Papier<br />
Metallen<br />
Wasser Eis<br />
Mikrowellensender<br />
<strong>Dipol</strong><br />
Mikrowellen: Elektromagnetische Strahlung<br />
<strong>Dipol</strong>e werden ausgerichtet<br />
Energieaufnahme: Resonanz<br />
Eis: <strong>Dipol</strong>e fix<br />
keine Resonanz<br />
10 GHz<br />
13
Sender<br />
Reflexion von Mikrowellen<br />
Mikrowellen werden reflektiert<br />
Einfallswinkel = Ausfallswinkel<br />
E Feld<br />
Polarisation<br />
Empfänger<br />
Empfangsdipol orthogonal zu E Feld:<br />
kein Empfang<br />
Schlitze parallel zu E Feld:<br />
kein Empfang<br />
(vgl. Seilwelle)<br />
Mikrowellen linear polarisierte EM Wellen<br />
Schlitze normal zu E Feld<br />
Empfang<br />
(Seilwelle würde nicht druchgehen)<br />
14
Brechung<br />
Bei Übergang von Medien, ändert EM Welle ihre Richtung<br />
Herleitung: Stetigkeitsbedingungen an Grenzflächen<br />
Wellenoptik mit Mikrowellen<br />
Mehrere Spalte: Intensität in<br />
Schattenraum<br />
und starke räumliche Modulation<br />
des Intensitätsverlaufs:<br />
Interferenz<br />
Mikrowellen zeigen Welleneigenschaften: Interferenz und Beugung<br />
15
Sender<br />
Stehende Wellen<br />
Empfänger<br />
Welle wird an Metall reflektiert<br />
Phasengeschwindigkeit Metall < Luft π Phasensprung:<br />
Knoten an Metall<br />
Abstand zwischen zwei Maxima λ/2 (wg. Leistung ∝ E 2 )<br />
f = 10GHz ⇒ λ= 3cm<br />
Welleneigenschaften<br />
1. Absorption: Welle wird beim Durchgang durch Medium<br />
abgeschwächt, Energie wird in Medium deponiert (Wärme)<br />
Absorption hängt von Material, Aggregatzustand, Frequenz, …<br />
ab<br />
2. Reflexion: Welle dringt nicht in Medium ein, Energie wird in<br />
bestimmten Winkel reflektiert<br />
3. Polarisation: EM Wellen sind polarisiert, Nachweis mit<br />
Orientierung des <strong>Dipol</strong>s, bzw. Polarisator der nur eine<br />
Polarisationsrichtung durchlässt<br />
4. Beugung: EM Welle gelangt in den Schattenraum von<br />
Hindernissen (die klein bzw. vergleichbar groß wie Wellenlänge<br />
sind)<br />
5. Interferenz: EM Wellen überlagern sich, es kommt lokal zu<br />
Überhöhungen bzw. Auslöschungen (stehende Welle, Gitter..)<br />
6. Brechung: EM weichen von geradliniger Ausbreitung ab<br />
λ<br />
16
Wellenleiter<br />
Man kann Wellen auch in Hohlleitern (z.B. in Rohren) transportieren:<br />
Da das Material leitend ist, verschwindet die elektrische Feldstärke an den<br />
Rändern. Die Verwendung von Hohlleitern zum Energietransport ist der von<br />
normalen Drähten bei hohen Frequenzen deutlich überlegen: Es gibt keine<br />
Verluste durch den ohmschen Widerstand und durch die Abstrahlung von<br />
elektromagnetischen Wellen!<br />
Rechteckförmiger Wellenleiter: Hohlleiter<br />
E Feld<br />
Hohlleiter eignen sich nur<br />
für hohe Frequenzen > f grenz<br />
f grenz = c/ 2 a<br />
H- Feld<br />
17
Kurzwellenübertragung<br />
Ionosphäre und Erde bilden Wellenleiter<br />
Kurzwellen können empfangen werden, wo sie durch geometrische<br />
Ausbreitung nicht erwartet werden können.<br />
Glasfaser<br />
18
Drahtwellen<br />
Stehende Wellen auf offener Leitung<br />
Jede am Ende offene Leitung (Leerlauf) besitzt dort ein<br />
Spannungsmaximum und ein Stromminimum.<br />
19
Kurzgeschlossene Leitung<br />
Jede am Ende kurzgeschlossene Leitung besitzt dort ein<br />
Strommaximum und ein Spannungsminimum.<br />
Lecherleitung<br />
Entlang von parallelen Drähten (Doppelleitung, Flachbandkabel) kann<br />
man elektromagnetische Wellen transportieren: Wenn der Drahtabstand<br />
d klein ist gegenüber der Wellenlänge λ interferieren die von beiden<br />
Leitern erzeugten elektromagnetischen Wellen destruktiv, so dass auch<br />
hier die Abstrahlungsverluste klein sind.<br />
Nachweis Spannung mit Glimmlampe<br />
Nachweis Strom Spule<br />
Die Ströme auf den beiden Leitern<br />
sind um 180° phasenverschoben,<br />
daher überlagern sich die<br />
abgestrahlten elektromagnetischen<br />
Wellen destruktiv.<br />
Ist das zweite Ende offen, gibt es<br />
dort Knoten in der Stromverteilung<br />
und Bäuche in der<br />
Spannungsverteilung.<br />
20
Koaxialkabel<br />
Hier dient der äußere (geerdete) Mantel als Abschirmung. Die<br />
elektromagnetischen Wellen können nicht nach außen entweichen. Der<br />
Innenraum ist meist mit einem Dielektrikum ausgefüllt.<br />
21