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Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Die Abstrahlung des Hertz'schen Dipols

(Abb. 1) zeigt die Abstrahlung des Hertz'schen Dipols im Nahfeld. Betrachten Sie die Animation über mehrere Phasen hinweg. Beachten Sie, dass ein Dipol in Abhängigkeit von seinen physikalischen Abmessungen eine feste Abstrahlfrequenz besitzt.

Der rote und blaue Pfeil im halbdurchsichtigen Kreis zeigen die Phasendifferenz von elektrischem und magnetischem Feld am Ort dieses Kreises an. Durch Klicken und Ziehen mit der Maus verschieben Sie den Kreis innerhalb der Animation. Auf die Phasendifferenzen im Nahfeld und Fernfeld wird später eingegangen.

Die nierenförmigen Linien stellen elektrische Feldlinien dar. Dabei sind die dunkelroten Linien andersherum gerichtet als die hellroten Linien. Die kreisförmigen Linien in der x , y -Ebene (perspektivisch dargestellt) beschreiben die Feldlinien des magnetischen Feldes. Dabei sind die schwarzen Linien andersherum gerichtet als die blauen Linien.

Abb.1
Animation: Abstrahlung des Hertz'schen Dipols

Zum genaueren Verständnis der Dipolschwingung und der damit einhergehenden Abstrahlung elektromagnetischer Wellen werden im Folgenden einzelne Schwingungsphasen betrachtet. Die Startzeit sei t 0 = 0s . T sei die Periodendauer der Dipolschwingung. Der zeitliche Ablauf entspricht dem beim Vergleich von Pendelschwingung und Schwingkreis. Mit dem dort beschriebenen Ablauf im elektrischen Schwingkreis sollten Sie vertraut sein.

Abb.2
Abstrahlung des Hertz'schen Dipols (Nahfeld)

Zeitpunkt: 1/4 T

Der Dipol als Kondensator ist voll aufgeladen, d.h. ein Überschuss an Elektronen befindet sich momentan an einem Ende des Metallstabes. Das andere Ende ist entsprechend positiv geladen. Die Spannung und das elektrische Feld zwischen den Enden sind maximal. Die Feldlinien des elektrischen Feldes zeigen in Bögen vom einem Ende zum anderen.

Zeitpunkt: 2/4 T

Angetrieben von der elektrischen Spannung fließen die Elektronen durch den Stab. Zur Zeit 1/2 T ist der Strom durch den Stab maximal. Dieser Strom besitzt ein magnetisches Feld, dessen Feldlinien in konzentrischen Kreisen um den Stab laufen. Die magnetische Feldstärke ist maximal.

Die elektrische Feldstärke ist null. Jedoch verschwinden die elektrischen Feldlinien nicht, die eine Viertel Periodendauer zuvor entstanden sind. Sie schnüren sich ab und bewegen sich als elektrisches Wirbelfeld mit Lichtgeschwindigkeit vom Dipol weg. Der Querschnitt dieses Wirbelfelds hat eine charakteristische Nierenform.

Zeitpunkt: 3/4 T

Nach drei Viertel Periodendauer sind die Elektronen am anderen Ende des Stabes angekommen. Das elektrische Feld ist nun wieder maximal, jedoch anders herum gerichtet als zur Zeit 1/4 T . Die Feldlinien bilden nun Bögen in der anderen Richtung.

Der Strom im Dipol ist null und somit auch das magnetische Feld. Allerdings verschwinden die magnetischen Feldlinien nicht, die zuvor entstanden sind, sondern entfernen sich als magnetisches Feld mit Lichtgeschwindigkeit vom Dipol.

Zeitpunkt: 4/4 T

Wiederum angetrieben durch die elektrische Spannung zwischen den Enden des Stabes fließen die Elektronen nun in entgegengesetzter Richtung zurück. Sie besitzen dabei ein magnetisches Feld, dessen Feldlinien wieder konzentrische Kreise um die Achse des Stromes bilden. Da der Strom in die andere Richtung fließt als eine halbe Periodendauer zuvor, sind die magnetischen Feldlinien nun ebenfalls andersherum gerichtet.

Das elektrische Feld ist zu diesem Zeitpunkt wieder null. Die Feldlinien, die während der Ladungstrennung vorhanden waren, haben sich wieder abgeschnürt und entfernen sich mit Lichtgeschwindigkeit vom Dipol.

Nun beginnt der Ablauf von vorne.

Phasenbeziehung des elektrischen und magnetischen Feldes

Der Hertz'sche Dipol schwingt gewissermaßen zwischen elektrischem und magnetischem Feld hin und her. Dieses Verhalten haben wir bereits beim Schwingkreis kennengelernt. Befinden sich die Elektronen an den Enden des Stabes, ist die elektrische Feldstärke maximal und die magnetische Feldstärke ist null. Eine viertel Periodendauer später fließen die Elektronen mit maximaler Stromstärke zum anderen Ende des Stabes. Nun ist das magnetische Feld, das diesen Strom umgibt, maximal und die elektrische Feldstärke ist null.

Man sieht also, dass die Schwingung der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke um 90° gegeneinander verschoben sind. Dies gilt jedoch nur im sogenannten Nahfeld, d.h. in unmittelbarer Umgebung des Dipols. In größerer Entfernung, also im Fernfeld des Dipols, schwingen elektrische und magnetische Feldstärke in Phase.

Strahlungscharakteristik

Und ein weiterer Unterschied zwischen mechanischen und elektromagnetischen Wellen wird klar: Eine punktförmige Schallquelle sendet Schallwellen mit kugelförmigen Wellenfronten aus, sogenannte Kugelwellen. Die elektromagnetischen Wellen, die der Dipol abgibt, sind dagegen keine Kugelwellen, sondern räumlich orientiert. Der Grund ist die räumliche Orientierung des Senders selbst. Die Intensität der abgestrahlten Wellen ist in der Äquatorialebene des Dipols am größten.

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