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Versuche

Dipolstrahlung (Animation)

Mithilfe der folgenden Animationen kannst du verschiedene markante Eigenschaften der Dipolstrahlung anschaulich darstellen. Dabei ermöglicht dir die Animation sowohl die Behandlung des HERTZ'schen Dipols als auch eines Stabdipols. Du kannst zwischen verschiedene Darstellungsmöglichkeiten wählen und die Geschwindigkeit der Animation beeinflussen. Folgende Darstellungen werden angeboten:

Elektrische Feldlinien in der zweidimensionalen Darstellung

Elektrische Feldlinien und magnetische Feldlinien in der 3D-Darstellung

E- und H-Vektoren für einen Strahl in der Äquatorialebene.

Visualisierung der Energieströme: Die Energiestromdichte \(S\) wird durch "Pfeile" dargestellt, die die Richtung des POYNTING-Vektors anzeigen. Der Betrag wird durch die Dicke der Ankerpunkte sowie durch die Farbgebung veranschaulicht.

Abb. 1 Darstellung verschiedener Eigenschaften der Dipolstrahlung von HERTZ'schem Dipol oder Stabdipol

Sollte die Animation auf deinem Gerät nicht flüssig laufen, so gibt es hier vorbereitete Videos zu den gängigsten Darstellungen. Diese benötigen weniger Rechenleistung. Eine Version der Animation in größerer Darstellung ist hier zu finden.

Wir danken Herrn Professor Raimund Girwidz von der LMU München für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

Aufgabe

Ermittle mithilfe der Animation in 2D-Darstellung, in welche Raumrichtungen der Herz'sche Dipol in Bezug auf seine Schwingungsrichtung (hier die y-Richtung) besonders stark bzw. besonders schwach abstrahlt und beschreibe deine Beobachtungen.

Lösung

Der Herz'sche Dipol strahlt besonders stark in die Raumrichtungen ab, die senkrecht zu seiner Schwingungsrichtung stehen, also in x-Richtung nzw. dreidimensional in Richtung der x-z-Ebene. In Richtung der Schwingung selbst, also in y-Richtung, ist die Abstrahlung des Dipol hingegen minimal.

Ermittle, in welcher Phasenbeziehung \(\vec{H}\) und \(\vec{E}\) im Nah- und im Fernfeld zueinander stehen.

Lösung

Raimund Girwidz

Ganz nahe am Dipol, also im Nahfeld, beträgt die Phasenverschiebung von \(\vec{H}\) und \(\vec{E}\) nahezu \(\frac{\pi}{2}\). Mit zunehmender Entfernung löst sich die Phasenbeziehung jedoch mehr auf. Im Fernfeld schwingen die Feldvektoren von \(\vec{H}\) und \(\vec{E}\) in Phase.

Beschreibe, wie sich der Energiestrom \(S\) auf der x-Achse im Nahfeld und im Fernfeld des Dipols im zeitlichen Verlauf verändern. Gehe dabei besonders auf die Unterschiede zwischen Nah- und Fernfeld ein.

Lösung

Im Nahfeld wechselt der Energiestrom im zeitlichen Verlauf immer wieder seine Richtung. Mal fließt Energie vom abstrahlenden Dipol weg, dann wieder in Richtung des Dipols. Im Fernfeld hingegen ist keine Umkehrung des Energieflusses mehr festzustellen. Hier sinkt der vom Dipol weg gerichtete Energiefluss nur bis auf 0 ab, steigt dann aber wieder an. Darüber hinaus sind die momentanen Absolutwerte des Energiestromes im Nahfeldbereich deutlich höher als im Fernfeld.