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Anwendungen elektromagnetischer Wellen

Anwendungen elektromagnetischer Wellen - Nachrichtentechnik

Das Bindeglied zwischen Wissenschaft und Praxis stellt die Technik mit ihren innovativen technischen Anwendungen dar. Ein Exkurs in die elektromagnetischen Schwingungen und Wellen wäre deshalb unvollständig, würde nicht auch auf deren technische Anwendungen in gebotener Kürze eingegangen, ohne dabei in Details vorzudringen. Nachdem wir uns in der Lerneinheit Elektromagnetische Schwingungen und Wellen ausführlich mit der Erzeugung, Abstrahlung und dem Empfang elektromagnetischer Wellen beschäftigt haben und in der Lerneinheit Ausbreitung elektromagnetischer Wellen eine Übersicht zu den einzelnen Teilen des elektromagnetischen Spektrums erstellten, sollen nun verschiedene technische Anwendungen an ausgewählten Beispielen vorgestellt werden.

Historisch ist die Nachrichtentechnik eines der ersten und zugleich bedeutendsten Gebiete, in denen die theoretischen und experimentellen Erkenntnisse der Hertz'schen Wellen (Hertz'scher Dipol) in praktische Anwendungen umgesetzt worden sind. Nachrichten werden übersandt, seit es die Menschheit gibt. Elementare Techniken der Übermittlung von Informationen mittels Schall- und Lichtquellen waren beispielsweise Trommeln, Rauchzeichen und Feuer. Die Nachrichtentechnik im engeren Sinne setzt mit der Telegrafie und dem Telefon in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts ein. Die Funktelegrafie Anfang des 20. Jahrhunderts eröffnete dann eine neue Qualität der Nachrichtenübertragung, jetzt also drahtlos über Hertz'sche Wellen. Weitere Meilensteine auf dem Weg zur modernen Informationstechnologie waren bzw. sind Rundfunk und Fernsehen, die Richtfunk-Telefonie, die Videoaufnahme und magnetische Bild- und Tonaufzeichnung. Selbst die optischen und akustischen Reizreaktionsketten des Menschen zur Informationsaufnahme und -verarbeitung sind letztendlich innere Prozesse einer Nachrichten- und Informationstechnologie.

Wenn wir uns an dieser Stelle mit einer ausgewählten technischen Anwendung elektromagnetischer Wellen in der Nachrichtentechnik näher befassen, so geschieht dies in der Absicht, damit eine prinzipielle Technologie vorzustellen, die physikalisches Grundwissen und Verstehen der Physik fordert und fördert, sowie historisch betrachtet mit den damalig neuen Errungenschaften den technischen Fortschritt in der Welt vorangetrieben hat. Es handelt sich hierbei um das Prinzip der Modulation und Demodulation Hertz'scher Wellen zur Informationsübertragung. Damit war der Rundfunk geboren, der in den 20er und 30er Jahren des 20. Jahrhunderts die Welt eroberte und das gesellschaftliche Leben entscheidend prägte.

Wesen der Modulation ist, dass einer hochfrequenten Trägerschwingung bestimmte Informationen wie z.B. Sprache oder Musik als niederfrequente Schwingung aufgeprägt werden. Nach der Übertragung der modulierten Welle wird die Information demoduliert, d.h. die Information wird zurück in niederfrequente, wahrnehmbare akustische Töne, also in Sprache und Musik, umgeformt. Zur Informationsaufnahme dienen Mikrofone, zur Ausgabe der übertragenen Informationen Lautsprecher.

Vereinfachte Blockschaltbilder von Rundfunksender und -empfänger veranschaulichen den Weg von der Sendestation zum Radiohörer.

Abb.1
Blockschaltbild eines amplitudenmodulierten Rundfunksenders
Abb.2
Blockschaltbild eines Rundfunkempfängers

Da die amplitudenmodulierten Hertz'schen Wellen gegenüber atmosphärischen Störungen empfindlich sind, werden deshalb bei Rundfunk und Fernsehen die hochfrequenten Trägerschwingungen in der Regel nicht durch die Amplitudenänderung, sondern durch Schwankungen der Trägerfrequenz im Takt der niederfrequenten Informationen variiert. Man spricht hierbei von der Frequenzmodulation.

Im nächsten Bild haben wir eine der vielen möglichen Schaltplan-Varianten eines einfachen Rundfunksenders mit Amplitudenmodulation und eines abstimmbaren Empfängers dargestellt. Die Schwingkreis-Trägerfrequenz wird durch Spule und Kondensator bestimmt, die Mikrophon-Schwankungen werden als Amplitudenänderungen realisiert.

Abb.3
Einfacher Rundfunksender und -empfänger

Den Sendern stehen ganz bestimmte Trägerfrequenzen in festgelegten Bandbreiten des elektromagnetischen Spektrums zur Verfügung. International wurden Bandbreiten für Langwelle (LW), Mittelwelle (MW), Kurzwelle (KW) und Ultrakurzwelle (UKW) sowie für die Fernsehkanäle vereinbart. Bei der Frequenzmodulation schwankt die jeweilige Sendefrequenz mit dem Tonfrequenzbereich (20Hz bis 20kHz) um die Trägerfrequenz herum. Ein Mittelwellensender von z.B. 800kHz würde somit um ±20kHz schwanken. Der nächste Sender müsste deshalb 40kHz von dem letzten Sender entfernt liegen, sollen sich die Sender nicht überlappen. Da dies wegen der großen Anzahl von Sendern nicht möglich ist, wird die übertragene Tonfrequenz zu Ungunsten der Hörqualität beschnitten.

Bei UKW-Sendern mit viel höheren Trägerfrequenzen z.B. von 90MHz kann die Bandbreite der Tonfrequenz viel höher gewählt werden; gebräuchlich sind hier 15kHz Bandbreite. Die Qualität des Rundfunk-Empfangs ist dadurch sehr viel höher, weil viel mehr Sender ohne Überlappung im UKW-Band übertragen können.

Ähnlich wie beim Rundfunk verhält es sich nun auch mit dem Fernsehen. Die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau sowie die Helligkeit werden punktweise auf einem Bildschirm abgetastet und neben der Tonfrequenz auf eine elektromagnetische Trägerwelle aufmoduliert, übertragen und dann wieder demoduliert. Als Trägerfrequenzen stehen Kanäle und Bänder in den Frequenzbereichen von UKW 47-68MHz, VHF (Very-High-Frequency) 174-223MHz und UHF (Ultra-High-Frequency) 470-790MHz zur Verfügung. Die Bilddarstellung basiert auf der Elektronenstrahlröhre (historisch bekannt unter Braun'sche Röhre) oder moderner auf dem LCD-Display (Liquid Crystal-Display). Bezüglich weiterer Details muss an dieser Stelle auf die Lehrbücher verwiesen werden.

Stattdessen wollen wir hier auf noch zwei andere technische Anwendungen elektromagnetischer Wellen eingehen.

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