Elektrisches und magnetisches Feld der Dipolstrahlung

Die Richtung und Stärke des elektrischen bzw. magnetischen Feldes in der Nähe des Sendedipols kannst du in zwei getrennten Versuchen messen.

Messung des elektrischen Feldes

E-Feld der Dipolstrahlung
Abb.
1
Versuchsaufbau zur Messung des elektrischen Feldes

Du misst die Intensität des elektrischen Feldes in der Nähe des Dipols mit einem Empfangsdipol. Durch eine Diode und einen parallelgeschalteten Kondensator wird der hochfrequente Wechselstrom gleichrichtet und mit einem Milliamperemeter gemessen.

Messung des magnetischen Feldes

B-Feld der Dipolstrahlung
Abb.
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Versuchsaufbau zur Messung des magnetischen Feldes

Man misst die Intensität des magnetischen Feldes in der Nähe des Dipols mit einer auf die Frequenz abgestimmte Leiterschleife. Durch eine Diode und einen parallelgeschalteten Kondensator wird der induzierte hochfrequente Wechselstrom gleichrichtet und mit einem Milliamperemeter gemessen.

Beobachtungen

1. Der elektrische Feldvektor ist in der Nähe des Dipols senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und nahezu parallel zum Sendedipol.

2. Der magnetische Feldvektor in der Nähe des Dipols senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und nahezu senkrecht zum Sendedipol.

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Strahlungscharakteristik

Aufbau und Durchführung

Strahlungscharakteristik eines Dipols
Abb.
3
Strahlungscharakteristik eines Dipols

 

Du tastest das Strahlungsfeld des Sendedipols mit dem Empfangsdipol in der skizzierten Weise ab und misst die Strahlungsintensität \(J\) (in mA) in Abhängigkeit vom Winkel \(\phi\) bei gleichbleibendem Abstand von etwa \(80\,\rm{cm}\).

Beobachtung

Winkel \(\phi\) 20° 40° 60° 90°
Strahlungsintensität \(J\) (in mA) 30 28 21 13 1
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Aufgabe

Skizziere die Strahlungsintensität in einem Polardiagramm.

Lösung

Störende Reflexionen an Wänden und Boden führen meist dazu, dass die Messung der Strahlungscharakteristik sich nicht so ideal ergibt, wie hier gezeichnet.

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Polarisation bei der Dipolstrahlung

Aufbau und Durchführung

Polarisation bei der Dipolstrahlung
Abb.
4
Polarisation bei der Dipolstrahlung

Du bringst zwischen Sender und Empfänger ein Drahtgitter, drehst das Gitter relativ zur Schwingungsebene und beobachtest die Signalstärke beim Empfänger.

Beobachtung

Drehst du das Gitter, so ist kein Empfang zu verzeichnen, wenn die Gitterstäbe parallel zur Schwingungsebene sind.

Der Empfang ist dagegen maximal (praktisch ungestört), wenn die Gitterstäbe senkrecht zur Schwingungsebene sind.

Ergebnis

Dipolsender senden polarisierte Strahlung (Strahlung nur einer Schwingungsrichtung).

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Verschiebungsstrom

Aufbau und Durchführung

Verschiebungsstrom am Dipol
Abb.
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Verschiebungsstrom am Dipol

Legt man über den Sender ein längeres Kabel und verbindet es mit zwei Kondensatorplatten. Dann misst man im Bereich des Kondensators das magnetische Feld.

Beobachtung

Befindet sich die Empfangsspule senkrecht zum elektrischen Wechselfeld des Kondensators, so kann man ein magnetisches Feld messen. Nach außen hin verhält sich der Kondensator so, als ob in ihm ein elektrischer Wechselstrom fließen würde (Maxwellscher Verschiebungsstrom).

Ergebnis

Ein sich schnell änderndes elektrisches Feld baut ein hochfrequentes magnetisches Feld auf, das kreisförmig um den sich ändernden Elektrischen Feldvektor orientiert ist.

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.

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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.

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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
Phasenbeziehung von E und H im Nah- und Fernfeld eines Hertzschen Dipols

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.

Die von einem Dezimeterwellen-Sender ausgehende elektromagnetische Welle trifft auf eine große Metallwand und wird dort reflektiert. Mit einem Stabdipol wird das elektrische Wechselfeld und mit einer Induktionsschleife das magnetische Wechselfeld vor der Wand untersucht.

Vorversuch

Zuerst wird gezeigt, dass die Dezimeterwellenstrahlung an der Metallwand reflektiert wird. Dazu stellt man den Dipolsender (Stabdipol, der induktiv an den Dezimeterwellensender gekoppelt ist) und den Dipolempfänger (Stabdipol mit Hochfrequenzdiode) wie skizziert vor der Metallwand auf. Entfernt man die Metallwand in der skizzierten Anordnung, so nimmt die Empfangsintensität beim Empfänger stark ab (sie geht nicht ganz auf Null, da Reflexionen von Experimentiertischen und Zimmerwänden nicht ganz vermeidbar sind).

Hauptversuch

Man lässt die Strahlung des Senders lotrecht auf die Metallwand treffen. Durch die Überlagerung von hin- und rücklaufender elektromagnetischer Welle (Reflexion an der Metallwand) kommt es zur Ausbildung einer stehenden elektromagnetischen Welle.

Die Ausbildung der stehenden Welle wird besonders deutlich, wenn die Amplitude von hin- und rücklaufender Welle etwa gleich groß ist. Dies ist in der Zone vor der Metallwand gut gegeben.

Zum Nachweis des elektrischen Feldes tastet man das Wellenfeld mit einem Empfangsdipol vor und an der Wand ab.

Die nebenstehende Animation zeigt die Vorgehensweise.

Erläutere exakt, was man über den Empfang vor der Wand aussagen kann.

Erläutere, wie man mit diesem Versuch die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bestimmen kann.

Die Vorgehensweise zum Nachweis des Magnetfeldes der stehenden Welle ist analog, anstelle des Dipolempfängers verwendet man zum Nachweis jedoch eine Induktionsschleife. Auch beim Magnetfeld bilden sich Knoten und Bäuche aus. Direkt an der Metallwand stellt man einen Magnetfeldbauch fest.

Zur Demonstration der Rundfunktechnik verwendet man zunächst einen Schwingkreis, der mittels Meissnerscher Rückkopllungssschaltung ungedämpft mit seiner hohen Eigenfrequenz schwingt.
In den Rückkopllungskreis wird mittels eines Trafos das niederfrequente Signal (Signal 1) aufmoduliert, so dass der Schwingkreis in der Eigenfrequenz aber mit der im Takt der Niederfrequenz modulierten Amplitude schwingt (UAB).
Diese Schwingung wird von einem Empfängerschwingkreis gleicher Eigenfrequenz wie der Sender durch induktive Kopplung empfangen (UCD) und zunächst mittels einer Diode gleichgerichtet (UED). Aus dieser gleichgerichteten Schwingung wird mit einem Tiefpass der niederfrequente Teil herausgefiltert(UFD).

Aufzumodulierndes Signal
Amplitudenmodulierte Senderschwingung, an AB mit Oszilloskop abgreifbar
Empfängerschwingung, an CD mit Oszilloskop abgreifbar
Gleichgerichtete Empfängerschwingung,
Durch Tiefpass herausgefiltertes niederfrequentes Signal, an FD mit Oszilloskop abgreifbar
Zur Demonstration der Rundfunktechnik beim Dezimeterwellensender, hat dieser einen Eingang, an den man mittels eines Übertragertrafos die im Tonfrequenzbereich abgegebene Schwingung eines Radiorecorders oder CD-Players einspeisen kann. Der bereits mit einer Diode bestückte Empfangsdipol gibt bereits ein gleichgerichtetes Signal ab. Er wird einfach an einen Verstärker angeschlossen, der das Signal mittels Lautsprecher in hörbare Musik oder Sprache umwandelt.

Durchlässigkeit von Medien

Reflexion

Brechung

Bündelung

Stehende Wellen

Zweiquelleninterferenz

Beugung am Einfachspalt

Doppelspalt-Versuch

Polarisation

BREWSTER-Winkel

BRAGG-Reflexion

 

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video zeigt Karlheinz Meier die Energieübertragung von Mikrowellen und die Anwendungen von Mikrowellen im Alltag.

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