- [Dozent] In der modernen Welt
sind wir Menschen vollständig
von elektromagnetischer Strahlung umgeben.
Haben Sie jemals über die Physik hinter
diesen wandernden elektromagnetischen Wellen nachgedacht?
Der große Wissenschaftler Heinrich Hertz
war der erste Mensch, der
elektromagnetische Wellen sendete und aufspürte.
In seinem berühmten Experiment
wurde ein Hochspannungsstrom an die beiden Enden
zweier Metalldrähte angelegt, der
im Spalt zwischen ihnen einen Funken erzeugte.
Dieser Funke führte zur Ausstrahlung
elektromagnetischer Wellen.
Diese elektromagnetischen Wellen breiteten sich durch die Luft aus
und erzeugten einen Funken in einer
über einen Meter entfernten Metallspule.
Hätte man in dieser Lücke eine LED platziert,
hätte die Glühbirne geleuchtet.
Dies war ein klarer Fall der Ausbreitung
und Erkennung elektromagnetischer Wellen.
Allerdings hatte bereits vor Hertz der brillante Mathematiker
James Clerk Maxwell
die Grundlagen für elektromagnetische Strahlung gelegt,
indem er mathematische Gleichungen formulierte.
Diese Gleichungen und das Hertz-Experiment
warfen jedoch die Frage auf:
Wie lösen sich elektromagnetische Felder
von Drähten und breiten sich durch einen Raum aus?
Genauer gesagt brauchen wir
eine sich bewegende elektromagnetische Welle
und keine schwankende.
Lassen Sie uns dies logisch untersuchen.
Stellen Sie sich eine elektrische Ladung vor,
die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.
Das elektrische Feld um ihn herum wird angezeigt. Stellen Sie sich
nun vor, dass es für den Bruchteil einer Sekunde beschleunigt und
anschließend seine gleichmäßige Bewegung
mit höherer Geschwindigkeit fortsetzt.
Was wir verstehen müssen,
ist die Auswirkung dieser Beschleunigung auf das elektrische Feld.
Das Interessante daran ist, dass sich die Informationen
nicht mit unendlicher Geschwindigkeit,
sondern mit Lichtgeschwindigkeit verbreiten.
Ebenso werden die Informationen über die plötzliche
Geschwindigkeitsänderung der Ladung nicht
auf den gesamten Bereich des elektrischen Feldes übertragen.
Das Feld in der Nähe weiß davon,
aber das Feld in der Ferne weiß noch nicht,
dass die Ladung beschleunigt wurde
und sich immer noch im alten Zustand befindet.
Trennen wir diese Bereiche
mithilfe von zwei Kreisen.
Da das elektrische Feld
das Feld zwischen diesen Abständen nicht unterbrechen kann, muss es einen Übergang geben.
Dieses Übergangsfeld wird als Knick bezeichnet.
Der Knick bewegt sich bzw. strahlt mit Lichtgeschwindigkeit nach außen.
Um die Kink-Animation klar darzustellen,
bewegen wir die Kamera zusammen mit der Ladung.
Man kann hier sagen, dass die Beschleunigung der Ladung
eine elektromagnetische Störung
bzw. elektromagnetische Strahlung verursacht hat.
Basierend auf diesem Verständnis werden wir in der Lage sein,
das wichtigste Experiment
auf dem Gebiet der Antennentechnik,
den oszillierenden elektrischen Dipol, zu verstehen.
Das Interessante an diesem einfachen oszillierenden Dipol
ist, dass er elektromagnetische Strahlung
auf perfekt sinusförmige Weise erzeugt.
Mal sehen, wie es gelingt.
Bevor wir uns mit der Elektromagnetik befassen,
wollen wir verstehen, wie Geschwindigkeit
und Beschleunigung in diesem einfachen Fall variieren.
Es ist klar, dass an beiden Enden die Geschwindigkeiten Null sein sollten
und in der Mitte die Geschwindigkeit maximal sein sollte.
Dies bedeutet, dass es sich um eine kontinuierliche Beschleunigung
und Verzögerung handelt.
Das elektrische Feldmuster ist hier dargestellt,
wenn die Ladegeräte weit voneinander entfernt sind
und die Geschwindigkeit Null ist.
Zum besseren Verständnis
untersuchen wir eine der elektrischen Feldlinien.
Beobachten wir die elektrische Feldlinie bei t mal acht.
Man erkennt, dass die elektrische Feldlinie deformiert ist.
Der Grund für diese Verformung ist einfach.
Dieser Zeitraum ist der Bereich
mit der höchsten Beschleunigung.
Wie wir bereits gesehen haben,
verursachen beschleunigte oder abgebremste Ladungen Knicke im elektrischen Feld.
Kurz gesagt, das alte elektrische Feld
passt sich nicht sehr gut an das neue Feld an.
Diese Verformung ist kontinuierlich,
da die Ladung kontinuierlich beschleunigt wird.
Wenn sich zwei Ladungen im Mittelpunkt treffen,
trifft dort auch die deformierte Linie.
Danach löst es sich und strahlt aus.
Diese Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Wenn Sie eine Variation der elektrischen Feldstärke
in Abhängigkeit von der Länge anwenden,
können Sie sehen, dass die von uns erzeugte Strahlung
von Natur aus vollkommen sinusförmig ist.
Bitte beachten Sie, dass dieses variierende elektrische Feld
automatisch ein variierendes Magnetfeld
senkrecht dazu erzeugt.
Schauen wir uns nun an, wie dies auf eine Antenne zutrifft. An den Metalldraht wird
eine zeitlich veränderliche Spannung angelegt.
Aufgrund der Wirkung der Spannung
werden die Elektronen von rechts nach links verschoben
und erzeugen positive und negative Ladungen.
Bei einer kontinuierlichen Spannungsänderung bewegen sich
die positiven und negativen Ladungen
im Draht hin und her.
Die einfache Anordnung wird als Dipolantenne bezeichnet.
Die Dipolantenne erzeugt die gleiche Strahlung
wie im vorherigen Abschnitt.
In diesem Fall fungiert die Antenne als Sender.
Die Frequenz des übertragenen Signals entspricht
der Frequenz des angelegten Spannungssignals.
Dieselbe Antenne kann als Empfänger fungieren,
wenn die Funktion der Antenne umgekehrt wird.
Wenn sich ausbreitende elektromagnetische Wellen auf die Antenne treffen, erzeugen
die oszillierenden Wellenfelder positive
und negative Ladungen an den Enden der Antenne. Durch
die unterschiedliche Ladungsansammlung
wird
in der Mitte der Antenne ein unterschiedliches Spannungssignal erzeugt.
Dieses Spannungssignal wird ausgegeben,
wenn die Antenne als Empfänger fungiert.
Wir können hier feststellen, dass für eine perfekte Übertragung oder einen perfekten Empfang
die Länge der Antenne die Hälfte der Wellenlänge betragen sollte.
Dies ist das erste Antennendesignkriterium
für ordnungsgemäßen Empfang oder Übertragung.
Das zweitwichtigste Designkriterium
ist ein Begriff namens Impedanzanpassung. Durch eine
perfekte Impedanzanpassung
wird sichergestellt, dass die Wellen
auf die effizienteste Weise abgestrahlt werden.
Wenn ein Wechselstrom durch einen Stromkreis fließt,
stößt er auf Widerstand durch die kombinierten Effekte von Widerstand,
Induktivität und Kapazität.
Dieser kombinierte Effekt wird als Impedanz bezeichnet.
Gemäß dem Theorem der maximalen Leistungsübertragung
muss die Lastimpedanz mit der Quellenimpedanz übereinstimmen, um die maximale Leistungsmenge zu übertragen. Nehmen wir
zum besseren Verständnis
ein Beispiel für einen Stromkreis, der
eine Lichtmaschine als Quelle
und eine Motorglühlampe usw. als Last enthält.
Um bei diesem Aufbau eine maximale Leistungsübertragung
vom Generator zur Last zu erreichen,
muss die Impedanz der Last
mit der Impedanz des Generators übereinstimmen. Bei einem Antennensystem
ist ein ähnlicher Impedanzausgleich erforderlich
.
Da eine Antenne mit Hochfrequenzsignalen arbeitet, ist auch
die Impedanz der Übertragungsleitungen
wichtig.
Um die maximale Leistung zu erreichen,
sollte die Impedanz einer Antenne daher auch
an die Impedanz der Quelle
und der Übertragungsleitung angepasst sein.
Wenn die Impedanzen nicht übereinstimmen, würde
ein Teil der Leistung
zur Quelle zurückreflektiert,
anstatt von der Antenne nach außen abzustrahlen.
Ein freier Raum hat einen Impedanzwert von 377 Ohm.
Bei einer Parabolantenne wird als Übertragungsleitung ein Wellenleiter verwendet
,
der einen anderen Impedanzwert als der freie Raum aufweist. Aus diesem Grund
ist in einer Parabolantenne auch ein Feedhorn enthalten
. Auf
diese Weise wird die Impedanz des Wellenleiters
an die Impedanz des freien Raums angepasst,
sodass die EM-Wellen ordnungsgemäß empfangen werden können.
Wir hoffen, dass Ihnen das Konzept
eines so wichtigen technischen Phänomens
anhand dieses Videos klar wird,
und vergessen Sie bitte nicht, uns zu unterstützen, vielen Dank.