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Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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20. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Wiederholung:

Das elektr. Feld des Kondensators ist ein Energiespeicher: Werden die beiden Anschlüsse des Kondensators leitend verbunden, fließt ein Entladestrom.Anwendungen:Glättung von pulsierendem Gleichstrom, Blitzgerät, ...

Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ist ein Energiespeicher:Hört der Stromfluss auf, bricht das Magnetfeld zusammen und induziert in der Spule einen Strom.Anwendungen:Zündspule, …

Kondensator Spule


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20.1 Elektromagnetische Schwingungen

Versuch:

6 V

Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen.Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet.

Der LC-Schwingkreis

C L


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elektrische Energie magnetische Energie

elektrische Energiemagnetische Energie

LC-Schwingkreis


4

Der Kondensator entlädt sich über die Spule. In der Spule wird ein Magnetfeld aufgebaut. Ist der Kondensator entladen, bricht das Magnetfeld zusammen, wodurch eine Induktionsspannung induziert wird. Induktionsstrom fließt (Lenzsche Regel) in derselben Richtung weiter und lädt den Kondensator entgegengesetzt auf. usw. Aufgrund des Ohmschen Widerstandes der Leitungen nimmt die Schwingungsamplitude ab.

LC-Schwingkreis


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Frequenz der Schwingung:

Kondensator: CUI effeff Spule: L

UI effeff

Da durch beide derselbe Strom fließt, setzen wir gleich:

L

UCU eff

eff

CL

12

( = 2πf)

CL2

1f

Thomsonsche Schwingungsformel


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Die Schwingung, die ein LC-Schwingkreis ausführt, ist gedämpft und kommt infolge der Verluste an den Leitungswiderständen zum Stillstand.

Abhilfe: Rückkopplung

10k

10k

800W / 1600W

Kopfhörer

1000µF(1µF)(0,1µF)

BD135

+

-

Baue mit den Schülerübungsgeräten die folgende Rückkopplungs-schaltung nach!Der Schwingkreis besteht aus dem Kondensator und der Spule mit 1600 Windungen. Eine zweite Spule mit 800 Windungen ist induktiv an die Schwing-kreisspule gekoppelt.

Sie hat die Aufgabe, die Basis eines Transistors anzusteuern und so im Takt des Schwingkreises den Transistor im richtigen Augenblick leitend zu machen, um die durch ohmsche Verluste "verlorene" Energie nachzu-liefern. Der veränderliche Widerstand (10k) dient zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors.


7


8

10k

10k

800W / 1600W

Kopfhörer

1000µF(1µF)(0,1µF)

BD135

+

-

Versuch 1: Verwende den Kondensator 1000µF und schalte ein Voltmeter mit 0‑Punkt in der Mitte parallel zum Schwingkreis.Ergebnis:

Versuch 2: Entferne das Voltmeter von vorhin und verwende den 1µF-Kondensator. Stecke einen Kopfhörer in die dafür vorgesehene Buchse. Verschiebe das Joch des Eisenkerns! Ergebnis:


9

2

geschlossener geschlossener SchwingkreisSchwingkreis

L sinktL sinkt

C sinktC sinkt

LC2

1f

steigtsteigt

offener offener SchwingkreisSchwingkreis

20.2 Der Offene Schwingkreis


10

Wir bezeichnen diesen offenen Schwingkreis oft auch als /2-Dipol.Die Antennenlänge ist gleich der halben Wellenlänge.

Versuch: Mit einem Dezimeterwellensender untersuchen wir den λ/2 – Dipol.


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IIII

Feldverteilung in der Umgebung der Feldverteilung in der Umgebung der /2-Antenne/2-Antenne

Spannung und Strom in der Spannung und Strom in der /2-Antenne/2-Antenne

UU UUUU


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20.4 Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen

Sendeantenne

Empfangsantenne

Die Sendeantenne wird induktiv an den Hochfrequenzkreis gekoppelt.

Mit einer gleich langen Antenne, in deren Mitte sich ein Glühlämpchen befindet, empfangen wir das Signal.

Maximaler Empfang, wenn die beiden Antennen ||sind.

Dreht man die Empfangsantenne um 90°, erhält sie kein Signal mehr.

Elm. Wellen sind linear polarisiert (Richtung des E-Vektors).


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20.4.1 RundfunkAmplitudenmodulation:

NF-Signale im Tonbereich können als elm. Welle nicht abgestrahlt werden. Daher benötigen wir ein HF-Signal als Trägerwelle mit konstanter Amplitude.

Das NF-Signal wird der Trägerwelle überlagert.Dieses wird nicht addiert, sondern moduliert.

Dabei gibt es Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und Phasenmodulation.


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TonschwingungenTonschwingungen HF-SchwingungenHF-Schwingungen AM-HF-SchwingungenAM-HF-Schwingungen

RadiosenderRadiosender


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ModulierterModulierter HF-StromHF-Strom

Modulierter Modulierter pusierender pusierender GleichstromGleichstrom

Tonfrequenz Tonfrequenz verstärktverstärkt

EmpfängerEmpfänger


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Radiosender und Empfänger


17

Spektrum elektromagnetischer Wellen


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Mikrowellen 10–4–10 –3 Energieübertragung

f(Hz) (m)

4Niederfrequenz 10 –10 technische Wechselströme,Tonfrequenzen vonMikrophonen

3 4Langwellen

Mittelwellen

Kurzwellen

10 –10

102–10

3

10 –102

Rundfunk

10 –10

Ultrakurzwellen 1–10

10–1–1

–3 –1

Fernsehen,VHF 30-300MHz,UHF 300-3000MHz

Radar

–7Infrarot 8·10 –

–7LICHT 4·10 – 8·10 –7

Ultraviolett – 4·10–7 Hg-Lampe

Röntgenstrahlung 10–14 –10–8

Strahlen 10–14 –10

–10-

Spektrum elektromagnetischer WellenSpektrum elektromagnetischer Wellen


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Braunsche Röhre

Braunsche RöhreBraunsche Röhre

18971897


20

Braunsche RöhreKathodenstrahlröhreKathodenstrahlröhre

GlühkathodeGlühkathode

ElektronenstrahlElektronenstrahl

LeuchtschirmLeuchtschirm

magnetisches Ablenksystemmagnetisches Ablenksystem


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Videokamera

ElektronenstrahlElektronenstrahl

VideosignalVideosignal

lichtempfindlicheSchicht

lichtempfindlicheSchicht AblenkspulenAblenkspulen


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Bildentstehung

1. Halbbild 2. Halbbild

Gesamtbild

horizontaler Strahlrück-

sprung vertikaler Strahlrück-sprung


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Z Z ZB100%

75% schwarz

10% weiß

1MHz 1,25MHz 5,5MHz 0,5

8MHz

UHF

Bildsender Farbträger Tonsender

Bildsignal


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Titel: Röntgenstrahlen


25

Wilhelm Conrad Röntgen


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Entdeckung Erzeugung30kV

Glühkathode

Wehneltzylinder

Röntgenstrahlen

Anode


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Elektron

Kern

Streuprozess

Je nach Abstand zum Kernund Geschwindigkeit wirdunterschiedlich stark gebremst.

Bremsstrahlung mit beliebigem >min

eU

hc

E

chchfhE min

100kV 80kV 50kV 35kV 20kV

12,4pm 15,5pm 24,8pm 35,4pm 61,9pm

Röntgenphoton, maxE E

Elektron=

relativeStrahldichte


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Ekin,e

WW3elast. Stoß m. Anodenatom

Ekin, Atom

Ekin, e

Wärme

WW2

Abbremsung um Atomkern

Brems-strahlung

kontinuierlicheRöntgenstrahlung

Ekin, e

WW1IonisierungAnodenatom

Röntgen-photon

charakteristischeRöntgenstrahlung

Ekin, e

Wechselwirkungen


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30

Max von Laue

d

d·cos


31

Röntgenaufnahmen


32

ComputertomographieCT


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20.6 Maxwellsche Theorie


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Theoretische Überlegungen von James Clark Maxwell (1831 – 1879) ergaben für die Ausbreitungsgeschwindigkeit c0 der elektromagnetischen Wellen:

000

1c

c0 ... Ausbreitungsgeschwindigkeit µ0... magnetische Feldkonstante µo = 4π•10-7Vs/(Am)ε0 … elektrische Feldkonstante ε0 = 8,854187818 • 10-12 As/(Vm)

Maxwell zeigte, dass elektromagnetische Wellen und Licht die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit (im leeren Raum) aufweisen.

20.6 Maxwellsche Theorie


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Ladungen erzeugenelektrische Felder.

Es gibt keinemagnetischen Monopole.

Maxwellsche Gesetze (1 und 2)

QE


36

Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld.

Ströme erzeugenmagnetische Felder.

Ein veränderliches E-Felderzeugt ein veränderliches B-Feld.

~

B

E

B

E

Maxwellsche Gesetze (3 und 4)

~

dt

dsdE m

2. Maxwell-Gleichung dt

dsdB e

00

1. M-Gl.


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E.QF

B

E

)Bv(.QF

Q v

F

Kraftgesetze

F


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Merksätze

(1) Ladungen erzeugen elektrische Felder. ( E – Quellenfeld)

(2) Es gibt keine magnetischen Monopole. ( B – Wirbelfeld)

(3) Ein veränderliches B-Feld erzeugt ein veränderliches E-Feld.

(4a) Ströme erzeugen magnetische Felder.

(4b) Ein veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld.


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Entstehung einer elektromagnetischen WelleEin veränderliches E-Feld erzeugt ein veränderliches B-Feld.Ladungen erzeugen

elektrische Felder.

Ströme erzeugen magnetische Felder. Ein veränderliches

B-Feld erzeugt ein veränderlichesE-Feld.

Q

I B

E

E

E

B

E

B

B

B

E


40

EndeEnde

Heinrich Hertz

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