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Versuchsanalyse im Leistungskurs Physik

DAS VERHALTEN ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN AM HERTZSCHEN GITTER

Inhaltsverzeichnis

Einleitung
Theoretische Vorbetrachtung
Das Experiment
- Aufbau und Durchführung
- Beobachtungen
- Messwerttabelle & Fehlereinflüsse
- Erklärung der Phänomene
Praktisches Rechenbeispiel
Resümee
Anhang
Literatur- und Quellenverzeichnis
Abbildungen (siehe bitte Datei)

Einleitung

In der heutigen stark technisierten Alltagswelt spielen elektromagnetische Wellen eine bedeutsame Rolle, sodass in der Funk- und Nachrichtentechnik auf elektromagnetische Wellen als physikalisches Medium nicht mehr verzichtet werden kann.
Zum Beispiel beim sicheren Betrieb eines Mikrowellenherdes ist es von Wichtigkeit das äußere Umfeld des Gerätes vor austretender Strahlung zu schützen. Auf der anderen Seite wirken sich natürlich bei einem mangelhaften Empfang von Radiosender in Gebäuden aus Stahlbeton die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen nachteilig aus.
In der vorliegenden Versuchsanalyse wird experimentell der Frage nachgegangen, inwiefern elektromagnetische Wellen mit Hilfe von sog. hertzschen Gitter aus parallelen Metalldrähten abgeschirmt werden können.
Hierzu wird nach der Anstellung einer kurzen theoretischen Vorbetrachtung die Durchführung eines zur Lösung der Fragestellung notwendiges Experiment erläutert, worauf schwerpunktmäßige Erklärungsmöglichkeiten für die gemachten Beobachtungen aufgezeigt werden.

Theoretische Vorbetrachtung

Wir wissen, dass die elektromagnetische Transversalwelle eine räumliche Ausbreitung eines zeitlich veränderliches sowohl elektrisches als auch magnetisches Feldes ist. Die in der Informationsübertragung verwendeten hertzschen Wellen (Frequenzbereich 30kHz bis 30GHz) besitzen analoge Eigenschaften wie die mechanischen Wellen, die z.B. u.U. Materie durchdringen können, an Oberflächen reflektiert werden können.
Beim folgenden Experiment kommen sog. Mikrowellen mit Frequenzen im Gigahertzbereich zur Anwendung, da sie sich zur Demonstration der Eigenschaften hertzscher Wellen besonders eignen.
Als Quelle soll ein Magnetron (Klystron) dienen, in dessen Elektronenröhre Elektronen zu Schwingungen mit gewünschter Frequenz angeregt werden.
Ebenso ist uns bekannt, dass es möglich ist einen durch ein elektrisches Feld umgebenen Raum durch massive Leiter, aber auch durch Metallgitter, abzuschirmen (Faradayscher Käfig). Es ist von daher naheliegend auch im vorliegenden Fall möglichst engmaschig gespannte Metallgitter zur Anwendung kommen zu lassen.

Das Experiment

Aufbau und Durchführung

Wie in Abbildung 1 oder 2 (siehe Anhang) zu erkennen ist, ist ein trichterförmiger Klystronsender mit einem Mikrowellennetzgerät verbunden, das eine konstanten Eigenfrequenz von f=9,450GHz besitzt. Der angeschlossene Frequenzgenerator moduliert diese Trägerfrequenz extern mit einer ebenfalls konstant gehaltenen Modulationsfrequenz in Höhe von fm=5000Hz. Der Sender erzeugt also ein sinusförmiges elektromagnetisches Wechselfeld in Form einer Welle. Mit einem Abstand von s=0,22m befindet sich parallel zum Sender ein Empfänger, der eine Hochfrequenzdiode enthält, die als Empfangsdipol in Erscheinung tritt. Das mit dem Sender verbundene Oszilloskop zeigt die Spannung als frequenzmodulierte Hochfrequenzschwingung.
Bei der Durchführung des Experiments müssen die Trichter der Hornantenne parallel zueinander stehen, da ansonsten der Trichter des Empfängers die Wellen reflektiert und der Empfang geschwächt wird.
Zwischen Sender und Empfänger wird ein Gitter aus gespannten, parallelen und einzeln isolierten Eisenstäben (Abstand: 0,5cm) gestellt. Wird das Gitter (parallel zum Sender und Empfänger) so gedreht, dass die Gitterstäbe in unterschiedlichen Winkeln zur Schwingungsrichtung der Wellen stehen, so ergeben sich nachfolgende Beobachtungen.
In einem weiteren Versuch werden die Abstände der Gitterstäbe vergrößert.

Beobachtungen

Die Amplitude in Abb.3 ist noch maximal. Wird zwischen Sender und Empfänger ein Metallgitter (s.u.) gestellt, dessen Drahtstäbe senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Feldes, also horizontal, stehen, so verändern sich die Elongationen auf dem Oszillographen nicht.
Wird jetzt das Gitter schrittweise von der horizontalen zur vertikalen Position gedreht (parallel zur Ausbreitungsrichtung), so verringern sich die Amplituden bis schließlich kein Empfang von Mikrowellen mehr stattfindet (Abb.4 bis 5). Der Oszillograph registriert jedoch einen Empfang, wenn der Empfänger vor das Gitter neben dem Klystron gestellt wird.
Mit der Vergrößerung der Abstände der Drähte bei vertikaler Position, vergrößert sich auch die Amplitude der empfangenen Spannung bis zum anfänglichen Maximum: Wird der Abstand auf 1cm verdoppelt, lässt sich ein Fünftel der Anfangsamplitude empfangen. Bei einem Abstand von 1,5cm, erreicht noch die Hälfte der Anfangsspannung den Empfänger.

Messwerttabelle

Frequenz der Mikrowellen f=9,450GHz Modulationsfrequenz fm=5000Hz
Abstände der Stäbe a=0,005m Abstand Sender/Empfänger s=0,22m
Winkel /° Spannung U/V 0 0 10 0 20 0,025 30 0,225 40 0,275 50 0,425 60 0,5 70 0,6 80 0,8 90 0,84
Diese Messwerte werden durch zahlreiche Fehlereinflüsse verfälscht:
Systematische Fehler
Widerstände durch Zuleitungen
Fehler durch Messen der Spannung
Die Dimensionierung der Bauelemente unterliegt einem Fehler (z.B. Mikrowellennetzgerät: f= (0,075GHz)
Zufällige Fehler:
Ablesefehler am Oszillographen
Schwankungen der Netzspannung
Fehler durch nachlässiger Handhabung der Messgeräte (z.B. Winkelmessung)
Rechnerische Bestimmung der Wellenlänge

Erklärung der Phänomene

Bevor wir uns der eigentlichen Erläuterung der gemachten Phänomene zuwenden, ist die Erkenntnis von besonderer Wichtigkeit, das die vom Mikrowellennetzgerät erzeugten Wellen bereits linear polarisiert sind, d.h. sie besitzen nur eine Schwingungsrichtung.
Wenn wir den Empfänger und damit auch die HF-Diode seitwärts drehen, so nimmt der Empfangsstärke ab. Denn die Schwingungsrichtung oder die Richtung der elektrischen Feldlinien muss parallel zur HF-Diode stehen, damit sie diesen Empfangsdipol influenzieren und ihn zu einer Ladungsschwingung anregen können.
Unter einer Polarisation ist bei Transversalwellen mit unterschiedlichen Schwingungsvektoren die Herausfilterung von nur einer Komponente mit einer bestimmten Schwingungsrichtung zu verstehen. Die Feldvektoren hertzscher Wellen schwingen hinter dem Gitter nur in einer Ebene. Die Polarisation ist ein Nachweis für Transversalwellen, denn sie setzt voraus, dass die Schwingungs- und Ausbreitungsrichtung nicht übereinstimmt. Somit können auch die hier betrachteten elektromagnetischen Wellen als Transversalwelle identifiziert werden.

Bei der vertikalen Position der Gitterstäbe, erregen die Mikrowellen die Gitterstäbe zu nahezu gleichen Frequenzen an, d.h. es wird in den Stäben durch die elektrische Wellenkomponente die Induktion eines Wechselstromes hervorgerufen. Somit strahlen die Metalldrähte ebenfalls als herztscher Dipol elektromagnetische Wellen nach vorne und hinten ab. Diese Wellen sind um 180° gegenüber der einfallenden Welle phasenverschoben. Zwischen dem Gitter und dem Empfänger interferieren einfallende (Primär-) und ausfallende (Sekundär-) Welle destruktiv, da die ausfallende Welle hinter dem Gitter phasenverschoben - in dieselbe Richtung wie die Originalwelle läuft. Vor dem Metallgitter erfolgt jedoch eine Reflektion der Primärwelle auf, die als Sekundärwelle auf dem Oszillograph nachgewiesen werden konnte. Der Einfallswinkel ist so groß wie der Ausfallswinkel.
Bei der horizontalen Position ist eine Induktion in den Gitterstäben und eine Anregung selbiger zu erzwungenen Schwingungen nicht möglich. Es findet auch keine Reflexion von Wellen statt.
Die Tatsache, dass bei vertikalen Metalldrähten mit einem Abstand von 1 bzw. 1,5cm schon eine partielle Durchdringung von Wellen zu beobachten ist, bringt uns zu der Erfahrung, dass die Gitterstäbe deutlich geringer als die Wellenlänge (3cm) sein müssen, um elektromagnetische Wellen abzuschirmen. Ansonsten strahlen die elektromagnetischen Wellen durch die Zwischenräume hindurch und werden nicht durch den Phasensprung der Sekundärwelle ausgelöscht.
Wenn die Gitterabstände verringert werden, so tritt, wie schon erwähnt, das Phänomen der Reflexion am festen Ende mit Phasensprung auf. Einfallende und ausfallende Wellen schwingen um 180° phasenverschoben und kompensieren sich ständig. Die Folge ist die Entstehung von Schwingungsbäuchen und knoten. Der Abstand zwischen zwei Schwingungsbäuchen beträgt immer 2.
Ein Teilexperiment wurde mit einem vari-ablen Winkel zwischen den Drahtstäben und der Schwingungsrichtung durchge-führt. Hierbei wird nur ein Teil des hoch-frequent schwingenden Feldvektors E durchgelassen. Während die senkrechte Komponente der Feldstärke durch die Drahtstäbe hindurchgelassen wird, wird die parallele Komponente an den Stäben reflektiert. In der Abbildung ist dargestellt, wie sich auf diese Weise die Schwingungsrichtung der Welle am Gitter ändert.
Im Sender wiederum wird nur der Teil dieser senkrechten Komponente registriert, der parallel zur HF-Diode sich verhält.

Praktisches Beispiel
Bei einer an einer Metallwand reflektierten Welle beträgt der Abstand der Intensitätsmaxima 1,24cm. Wie groß ist die Wellenlänge und die Frequenz der Mikrowelle?

Resümee

Es ist festzustellen, wie simpel polarisierte elektromagnetische Wellen nachgewiesen werden können und mit welchen Methoden Mikrowellenstrahlung reflektiert werden kann. Die Reflektion elektromagnetischer Wellen findet sich in der Praxis wieder: Mit den leitfähigen Gittern in den Türen von Mikrowellenherden wird der Austritt von hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung verhindert.

Literatur- und Quellenverzeichnis

Physik, Dorn Bader, ISBN:3507862050;S.200ff.
Abitur Physik, Basiswissen Schule, ISBN:3411717513
http://www.monstein.de/paraphysics/AntennaBall/VollkugelSkalarwellen.htm
Physik, Metzler, ISBN:3507107007, S.280f.;S.124f.
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen; J. Breitsameter; ISBN:3761405790, S.83f.
Vgl. Dorn, Bader; Physik ; S.200
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen; J.Breitsameter; ISBN:3761405790;S.84
Physik, Metzler, S.281,Nr.1

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