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Wie man elektromagnetische Wellen verstärkt

Wir können ein gutes Verständnis der elektromagnetischen Wellen EM erlangen, indem wir überlegen, wie sie erzeugt werden. Immer wenn sich ein Strom ändert, variieren die zugehörigen elektrischen und magnetischen Felder und bewegen sich wie Wellen von der Quelle weg. Die vielleicht am einfachsten zu visualisierende Situation ist ein variierender Strom in einem langen geraden Draht, der von einem Wechselstromgenerator in seiner Mitte erzeugt wird, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Dieser lange gerade graue Draht mit einem Wechselstromgenerator in der Mitte wird zu einer Rundfunkantenne für elektromagnetische Wellen. Hier sind die Ladungsverteilungen zu vier verschiedenen Zeiten dargestellt. Das elektrische Feld E breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit von der Antenne weg aus und bildet einen Teil einer elektromagnetischen Welle. Das den Draht umgebende elektrische Feld E wird durch die Ladungsverteilung auf dem Draht erzeugt.

Sowohl die E- als auch die Ladungsverteilung variieren, wenn sich der Strom ändert. Das sich ändernde Feld breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen aus. Es gibt ein zugehöriges Magnetfeld B, das sich ebenfalls nach außen ausbreitet (siehe Abbildung 2). Die elektrischen und magnetischen Felder sind eng miteinander verbunden und breiten sich als elektromagnetische Welle aus. Dies ist der Fall bei Rundfunkantennen wie Radio- und Fernsehsendern. Ein Viertel eines Zyklus später gibt es keine Ladungstrennung und das Feld neben der Antenne ist Null, während sich das maximale E-Feld mit der Geschwindigkeit c wegbewegt hat.

Während der Prozess fortgesetzt wird, kehrt sich die Ladungstrennung um und das Feld erreicht seinen maximalen Abwärtswert, kehrt auf Null zurück und steigt am Ende eines vollständigen Zyklus auf seinen maximalen Aufwärtswert an. Die ausgehende Welle hat eine Amplitude, die proportional zur maximalen Ladungstrennung ist. Wellenlänge und Frequenz f sind wie üblich umgekehrt proportional. Die Beziehung zwischen E und B ist zu einem Zeitpunkt in Abbildung 2a dargestellt.

Wenn sich der Strom ändert, ändert sich das Magnetfeld in Größe und Richtung. Abbildung 2. Der Strom I erzeugt die Ladungstrennung entlang des Drahtes, wodurch wiederum das elektrische Feld wie gezeigt erzeugt wird. Die Magnetfeldlinien breiten sich auch mit Lichtgeschwindigkeit von der Antenne weg aus und bilden den anderen Teil der elektromagnetischen Welle, wie in Abbildung 2b dargestellt.

Der magnetische Teil der Welle hat die gleiche Periode und Wellenlänge wie der elektrische Teil, da beide durch die gleiche Bewegung und Ladungstrennung in der Antenne erzeugt werden. Die elektrischen und magnetischen Wellen sind in Abbildung 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt zusammen dargestellt. Die von einer langen geraden Drahtantenne erzeugten elektrischen und magnetischen Felder sind genau in Phase. Beachten Sie, dass sie senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen, was dies zu einer Transversalwelle macht.

Abbildung 3. Ein Teil der elektromagnetischen Welle, die zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Antenne gesendet wird. Die elektrischen und magnetischen Felder E und B sind in Phase und sie stehen senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung. Zur Verdeutlichung werden die Wellen nur in einer Richtung gezeigt, sie breiten sich jedoch auch in andere Richtungen aus. Elektromagnetische Wellen breiten sich im Allgemeinen von einer Quelle in alle Richtungen aus und bilden manchmal ein komplexes Strahlungsmuster.

Eine solche lineare Antenne strahlt beispielsweise nicht parallel zu ihrer Länge. Anstelle des Wechselstromgenerators kann die Antenne auch von einem Wechselstromkreis angesteuert werden. Tatsächlich strahlen Ladungen immer dann ab, wenn sie beschleunigt werden. Während ein Strom in einer Schaltung einen vollständigen Pfad benötigt, weist eine Antenne eine unterschiedliche Ladungsverteilung auf, die eine stehende Welle bildet, die vom Wechselstrom angetrieben wird.

Die Abmessungen der Antenne sind entscheidend für die Bestimmung der Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Dies ist ein Resonanzphänomen, und wenn wir Radios oder Fernseher einstellen, variieren wir die elektrischen Eigenschaften, um geeignete Resonanzbedingungen in der Antenne zu erreichen. Elektromagnetische Wellen transportieren Energie von ihrer Quelle weg, ähnlich einer Schallwelle, die Energie von einer stehenden Welle auf einer Gitarrensaite wegführt.

Eine Antenne zum Empfangen von EM-Signalen arbeitet umgekehrt. Und wie Antennen, die EM-Wellen erzeugen, sind Empfängerantennen speziell für die Resonanz bei bestimmten Frequenzen ausgelegt. Eine einfallende elektromagnetische Welle beschleunigt Elektronen in der Antenne und erzeugt eine stehende Welle.

Wenn das Radio oder der Fernseher eingeschaltet ist, nehmen elektrische Komponenten das von den beschleunigenden Elektronen gebildete Signal auf und verstärken es.

Manchmal werden große Empfängerschalen verwendet, um das Signal auf eine Antenne zu fokussieren. Beim Entwerfen von Schaltkreisen gehen wir häufig davon aus, dass Energie nicht schnell aus Wechselstromkreisen entweicht, und dies ist meistens der Fall. Eine Rundfunkantenne wurde speziell entwickelt, um die Rate elektromagnetischer Strahlung zu erhöhen, und eine Abschirmung ist erforderlich, um die Strahlung nahe Null zu halten.

Einige bekannte Phänomene beruhen auf der Erzeugung elektromagnetischer Wellen durch unterschiedliche Ströme. Ihr Mikrowellenherd sendet beispielsweise elektromagnetische Wellen, sogenannte Mikrowellen, von einer verborgenen Antenne aus, der ein oszillierender Strom auferlegt wird. Es gibt eine Beziehung zwischen den E- und B-Feldstärken in einer elektromagnetischen Welle. Dies kann durch erneutes Betrachten der gerade beschriebenen Antenne verstanden werden.

Je stärker das durch Ladungstrennung erzeugte E-Feld ist, desto größer ist der Strom und damit das erzeugte B-Feld. Es kann gezeigt werden, dass die Größen der Felder ein konstantes Verhältnis haben, das der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Dies gilt zu jeder Zeit und an allen Orten im Weltraum. Ein einfaches und elegantes Ergebnis. Um die B-Feldstärke zu finden, ordnen wir die obige Gleichung neu, um nach B zu lösen, was ergibt.

Wir erhalten E und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Wenn Sie diese in den Ausdruck für B eingeben, erhalten Sie. Beachten Sie, dass mit der Ausbreitung dieser Welle, beispielsweise mit der Entfernung von einer Antenne, ihre Feldstärken zunehmend schwächer werden.

Vorausgesagte und beobachtete elektromagnetische Wellen, dass sich ändernde elektrische Felder relativ schwache Magnetfelder erzeugen. Sie können jedoch in elektromagnetischen Wellen nachgewiesen werden, indem das Phänomen der Resonanz wie bei Hertz ausgenutzt wird. Ein System mit der gleichen Eigenfrequenz wie die elektromagnetische Welle kann zum Schwingen gebracht werden. Alle Radio- und Fernsehempfänger verwenden dieses Prinzip, um schwache elektromagnetische Wellen aufzunehmen und dann zu verstärken, während alle anderen nicht mit ihrer Resonanzfrequenz zurückgewiesen werden.

Identifizieren Sie für Ihr Fernsehgerät oder Radio zu Hause die Antenne und skizzieren Sie ihre Form. Schätzen Sie die Größe. Stellen Sie das Radio ein und beachten Sie den kleinen Frequenzbereich, bei dem ein angemessenes Signal für diesen Sender empfangen wird. Dies ist mit digitaler Anzeige einfacher. Wenn Sie ein Auto mit Radio und ausziehbarer Antenne haben, beachten Sie die Empfangsqualität, wenn sich die Länge der Antenne ändert.

Rundfunkwellen von KPhET senden. Wackeln Sie mit dem Senderelektron manuell oder lassen Sie es automatisch schwingen. Zeigen Sie das Feld als Kurve oder Vektor an. Das Streifendiagramm zeigt die Elektronenpositionen am Sender und am Empfänger. Abbildung 6. Eine Draufsicht auf zwei Funkantennen, die dasselbe Signal senden, und das von ihnen erzeugte Interferenzmuster.

Zum Hauptinhalt springen. Elektromagnetische Wellen. Suche nach: Erzeugung elektromagnetischer Wellen Lernziele Am Ende dieses Abschnitts können Sie: die elektrischen und magnetischen Wellen beschreiben, wenn sie sich von einer Quelle wie einem Wechselstromgenerator entfernen. Erklären Sie die mathematische Beziehung zwischen der Magnetfeldstärke und der elektrischen Feldstärke.

Berechnen Sie die maximale Stärke des Magnetfelds in einer elektromagnetischen Welle unter Berücksichtigung der maximalen elektrischen Feldstärke. Beispiel 1. Lösung Wir erhalten E und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Experiment zum Mitnehmen: Antennen Identifizieren Sie für Ihren Fernseher oder Ihr Radio zu Hause die Antenne und skizzieren Sie ihre Form.

PhET Explorations: Klicken Sie hier, um die Simulation herunterzuladen. Mit Java ausführen. Stimmt die Richtung des in Abbildung 2a gezeigten Magnetfelds mit der rechten Regel für den Strom RHR-2 in der in der Abbildung gezeigten Richtung überein? Abbildung 4. Elektromagnetische Wellen, die sich langen geraden Drähten nähern.

Abbildung 5. Elektromagnetische Wellen, die sich einer Drahtschleife nähern. Berechnen Sie die maximale elektrische Feldstärke, wenn sich die Welle in einem Medium bewegt, in dem die Geschwindigkeit der Welle 0 beträgt. Lizenzen und Zuschreibungen. CC-lizenzierte Inhalte, zuvor freigegeben.

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