Elektrizitätslehre

Elektromagnetische Induktion

Near Field Communication (NFC)

  • Wie funktioniert ein Elektromotor?
  • Wie erzeugt ein Dynamo elektrischen Strom?
  • Was bewirkt eine Spule?

Near Field Communication (NFC)

Spezielle Form von RFID

NFC-Antenne in eine Bankkarte
Abb.
1
NFC-Antenne in eine Bankkarte

Immer häufiger werden im Alltag Daten berührungslos ausgetauscht- bspw. beim kontaktlosen Bezahlen im Supermarkt oder beim Anmieten eines Autos beim Car-Sharing. Hier kommt oft die Technik der Near Field Communication, kurz NFC zum Einsatz. Die dazu benötigte Technik ist inzwischen in vielen Bank- und Kreditkarten, aber auch Smartphones eingebaut. Technisch ist NFC ist eine Sonderform von RFID (Radio-Frequency IDentification), die nur über kurze Distanzen \(<10\,\rm{cm}\) funktioniert, eine Frequenz von \(13{,}56\,\rm{MHz}\) nutzt und verschlüsselt kommunizieren kann.

Aktive und passive Elemente

Eine Kommunikation mittels NFC findet immer nur zwischen genau zwei Teilnehmern statt. Dabei muss mindestens ein Teilnehmer ein aktives Gerät sein - bspw. das Bezahlterminal an der Kasse oder der NFC-Chip in deinem Smartphone. Dieses aktive Gerät erzeugt ein hochfrequentes Magnetfeld. Das andere Gerät kann ein passives Gerät sein, z.B. die Bankkarte. Dieses Gerät benötigt keine eigene Energiequelle, sondern nur einen Schwingkreis (Antenne), der in etwa auf \(13{,}56\,\rm{MHz}\) abgestimmt ist. Das Magnetfeld des aktiven Gerätes induziert hier eine Spannung - bei Geräte sind so magnetisch (induktiv) gekoppelt. Zur Datenübertragung variiert das passive Gerät meist seinen Schwingkreis. Je genauer der Schwingkreis auf \(13{,}56\,\rm{MHz}\) eingestellt ist, desto größer ist die "Last", die er für das Magnetfeld darstellt (Lastmodulation). Diese "Last" registriert auch das aktive Gerät - es können also Daten ausgetauscht werden.

Die Kommunikation zwischen zwei aktiven Geräten wie deinem Smartphone und einem Bezahlterminal ist natürlich ebenfalls möglich.

Einfache Spule als Antenne

Verschiedene Spulen zum Nachweis von NFC
Abb.
2
Verschiedene Spulen zum Nachweis von NFC
Um zu zeigen, dass ein aktives NFC-Gerät tatsächlich ein B-Feld erzeugt und Energie in einen sekundären Schwingkreis übertragen kann, benötigst du nur eine passende Antenne. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises muss entsprechend in der Größenordnung des Senders liegen. Dazu wickelst Du aus \(0{,}5\,\rm{mm}\) dickem Kupferdraht z.B. eine kreisförmige Spule mit \(N=6-10\) Windungen und einem Durchmesser von etwa \(3-6\,\rm{cm}\). An die beiden Enden lötest du eine einfache, rote LED. Im Folgenden wurde eine Spule mit \(d=5\,\rm{cm}\) und \(N=9\) Windungen genutzt.

Einfacher Nachweis von NFC

Nun schaltest du an deinem Smartphone NFC ein und hältst die Antenne mit der eingelöteten LED auf die Rückseite des Smartphones. Bei Positionierung über dem NFC-Chip (meist in der oberen Hälfte des Smartphones) blinkt die LED immer wieder auf.

Nachweis des NFC-Feldes mit einfacher Antenne und LED
Abb.
3
Nachweis des NFC-Feldes mit einfacher Antenne und LED

Abhängigkeit von Position und Abstand

Aufgabe

Verändere nun die Position und Ausrichtung der Antenne auf dem Smartphone indem du

  1. die Antenne auf der Rückseite ans untere Ende des Smartphones verschiebst,
  2. den Abstand zwischen Antenne und Smartphone vergrößerst,
  3. die Antennenebene um 90° verdrehst
  4. und die Antenne auf die Vorderseite des Smartphones legst.

Beschreibe jeweils, ob die LED leuchtet oder nicht und in wie weit das die Verwendung der NFC-Technik beeinflusst.

Lösung
  1. Unten am Smartphone, also weiter entfernt vom aktiven NFC-Chip, leuchtet die LED nicht mehr.
  2. Auch beim Hochheben der Antenne im oberen Bereich hört die LED bereits im Abstand weniger cm auf zu blinken.
  3. Ein verdrehen der Antennenebene führt ebenfalls zu einem Verlöschen der LED.
  4. Auf der Vorderseite des Smartphones platziert, leuchtet die LED ebenfalls nicht.

NFC funktioniert also nur bei einem geringen Abstand zwischen aktivem und passivem Gerät und auch die Orientierung der Antenne beeinflusst die Reichweite. Das die LED auch bei Positionierung direkt auf dem Display nicht leuchtet zeigt weiter, dass die Kommunikation durch das Materialien zwischen den beiden Kommunikationsgeräten beeinflusst wird. Die kann zur Abschirmung von NFC genutzt werden.

Abschirmung von NFC-Kommunikation

Im Handel werden verschiedenste NFC-Blocker und NFC-Schutzhüllen angeboten. Mithilfe des folgenden Versuches kannst du prüfen, aus welchem Material entsprechende Hüllen sein können.

Aufgabe

Teste mithilfe deines Smartphones und der gebauten Antenne, ob du Near Field Communication auch mit einfachen Mitteln, wie Papier oder Alufolie verhindern kannst. 

Lösung

Die LED an der Antenne leuchtet auch, wenn sich Papier zwischen dem Smartphone und der Antenne befindet. Einfaches Papier beeinflusst NFC also nicht merklich. Legst du stattdessen jedoch Alufolie zwischen Smartphone und Antenne, leuchtet die LED nicht mehr. Bereits eine Lage Aluminium verhindert also bereits die Kommunikation per NFC. Eine Kartenschutzhülle aus Aluminium verhindert also, dass die Karteninformationen per NFC ausgelesen werden können.

Versuche im Video

Einfacher Nachweis von NFC

Versuche zum einfachen Nachweis von NFC mit grundlegenden Eigenschaften und Abschirmung
Druckversion