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Schmunzel-Ecke: ... mein Hobby ... mein Eigenbau ... mein Elektrisches ... mein Elektronisches ... meine Formeln ... mein Sonstiges ... |
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Die Grafik zeigt diesen Zusammenhang (erstaunlich, denn Rundfunkwellen, geschweige Handy, kannte er noch nicht, die Röntgen-Strahlung wurde ebenfalls später entdeckt).
Es ist eigenartig, dass die Menschen von den elektromagnetischen Wellen nur das Licht und die Wärme wahrnehmen können. Wir interpretieren die Wellen mit einer Länge von: 380nm - 780nm als Licht!
Was ist Licht?Ein altes Lehrbuch zur Physik Durch Zufall bekam ich ein Lehrbuch zur Physik, veröffentlicht 1881, in die Hand, da war es interessant, was denn 20 Jahre nach Maxwell über die Elektrik, den Magnetismus, die Licht und die Wärme und den Zusammenhang dieser gelehrt wurde!
Den Zusammenhang kann man in der Darstellung nicht finden. |
Elektrik
(2) (3) |
Magnetismus
(2) (3) |
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Licht
(4) (5) |
Wärme
(5) |
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Man sieht, dass im Magnetismus und der Elektrizität einige Übereinstimmungen existieren,
die jedoch nur in der Wirkung, als gemeinsame Welle wurde das noch nicht erkannt.
Zur Optik und Wärme gibt es so gut wie keine Verbindung, diese jedoch untereinander.
Heinrich Hertz hat auch erst 1886
eine Verbindung zur Optik hergestellt, als er zum Nachweis der elektromagnetischen Wellen
stehende Wellen als Überlagereung mittels Reflexion an einer Blechplatte erzeugte und damit
nachweisen konnte.
Elektromagnetische Wellen lassen sich also wie Licht(wellen) reflektieren.
Heute weiß man, dass weitere Eigenschaften, die an den Lichtwellen erkannt wurden,
auch für alle anderen Wellen im gesamten Spektrum gelten.
Es ist aber schon eigenartig, denn verbindet man eine Batterie mit vielen (1Mio) Glühbirnen,
dann ist die Batterie schnell alle. Sendet ein Funksender seine Wellen, dann ist es dem
Sender völlig egal ob ein Empfänger "zuhört" oder eine Miliion, er merkt es gar nicht!
Es wird also keine Energie übertragen (wie bei der Batterie).
Und das Licht von unendlich vielen Sternen sehen wir zwar, da aber sich diese Welle im Raum
bewegt, kann es sein, dass dieser Stern schon nicht mehr existiert, ➥ die Welle existiert
weiter, wenn der Sender ausgeschaltet wird. Die Welle geht nicht verloren, sie "verschleißt"
im Laufe der Zeit, z.B. durch Reflexion an kleinsten Partikeln im All, durch Wandlung in
andere Wellenlängen z.B. Wärme oder andere Körper durchdringt. Oder durch Absorption:
(nach Wikipedia):
"Die Energie (? die Wellen werden nicht oder nur teilweise reflektiert)
des einfallenden Lichts wird von einem Körper "verschluckt".
Dies kann dazu führen, dass ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben wird,
dass sich der Körper erwärmt usw. Wenn die Strahlung unabhängig von ihrer Wellenlänge
absorbiert wird, erscheint der Körper schwarz. Wird nur ein Teil des Spektrums absorbiert,
so bestimmen die übrig gebliebenen Teile des Spektrums die Farbe des Körpers."
Die Anteile der abgesendeten Welle werden so klein, dass sie nicht mehr nachweisbar
sind.
Die Frage ist nun, wie entstehen freie elektromagnetische Wellen?
Ausgangspunkt ist ein zu einer Antenne geöffneter Schwingkreis:
Bild 1 |
Bild 2 |
Bild 3 |
Bild 4 |
Bild 5a |
Bild 5b |
Bild 6a |
Bild 6b |
Fakt ist, dass die Phasenverschiebung um λ/4 beseitigt werden muss. Das könnte
funktionieren, indem die Wellenlänge der magnetischen oder elektrischen Welle um diesen
Wert verändert wird, oder beide erfahren eine Änderung um λ/8. Die Aussage von "emf-info": ... Zwischenzone, in der sich die durch die Ströme und Spannungen induzierten Wirbelfelder überlagern ... könnte zu der links dargestellten Überlegung führen. Die Feldlinen des elektrischen Feldes an der Antenne und die erste(n) der von der Antenne abgelösten Feldlinien haben die gleiche Richtung, also werden sie sich abstoßen, d.h. es gibt symbolisch eine positve Halbwelle an der Antenne und eine um λ/4 negative Halbwelle an der Abgelösten - die müssen beide überlagert, also addiert werden (siehe im Bild links oben). Die magnetischen Wellen haben in diesem Bereich die gleichen Richtungen und werden ebenfalls addiert. Bei den elektrischen Wellen entsteht eine kürzere positive und negative Halbwelle, eine komplette Welle mit 3/4λ Länge, bei den magnetischen Wellen eine 3/4λ lange Halbwelle. Erstaunlicher Weise passen diese Teile genau in den Zwischenraum zwischen Nah- und Fernfeld.
Auch in dieser bewegten Darstellung (links die Antenne, rechts das Fernfeld, in der Mitte
der Übergangsbereich; dunkelrot - elektr. Welle, anderes blau - magn. Welle)
scheint das zu funktionieren, es ist ein kontinuierlicher Übergang,
die Geschwindigkeit der Ausbreitung bleibt gleich! |
Das passiert nun an der Antenne in allen Richtungen. |
Das stimmt nicht, denn in Richtung der Antenne (Dipol-Achse) gibt es keine Wellen, es
gibt eine Charakteristik von 0 bis max.
Die einzelnen Wellen überlagern sich zu einer geschlossenen räumlichen Wellenfront, wobei
eine Schale ähnlich einem Apfel aussieht. Das ist die Basis von Berechnungen. |
Beschreibung der elektromagnetischen Wellen mittels Formeln
Nach: "K. Küpfmüller: Einführung in die theoretische Elektrotechnik; Springer-Verlag;
Berlin/Heidelberg/New York 1965" werden Berechnungen zum Nah- und Fernfeld elektromagnetischer Wellen vorgenommen. Ziel ist die Berechnung der elektrischen und magnetischen Feldstärke. Ausgangspunkt dafür ist das Bild links einer schwingenden Ladung. Die Ladung bewegt sich zwichen den Kondensatorplatten bzw. zwischen den Enden der Antenne. Für jeden geometrischen Ort im Feld kann man die links gezeigten Werte definieren. Bemerkenswert ist, dass nicht von schwingenden Elektronen (die könnten Energie haben), sondern von Schwingenden Ladungen gesprochen wird! |
Unter Nutzung der Gleichungen (37) bis (39b) erarbeitet Herr Küpfmüller die Gleichungen für die elektrische und magnetische Feldstärke.
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Dazu wird festgelegt:
Aus den Gleichungen (40) - (42) folgt damit die Beschreibung der Feldstärken im Nahfeld.
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(nach Küpfmüller): "Der Faktor j im Nenner der elektrischen Feldstärkr zeigt an, dass die elektrische Feldstärke gegen die magnetische und damit gegen den Strom I um 90° Phasenverschoben ist. Dies erklärt sich daraus, dass sich der Strom I im Luftraum als Verschiebungsstrom fortsetzt, der in Phase mit dem Strom schwingt; die elektrische Feldstärke eilt daher dem Strom um 90° nach." |
Das Fernfeld ist nach Küpfmüller dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschreibung nur Glieder mit den höchsten Potenzen von r vorkmmen, damit ändern sich die Gleichungen (40) - (42) wie folgt:
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(nach Küpfmüller): "Magnetische und elektrische Feldstärke stehen räumlich senkrecht aufeinander und senkrecht zum Radius r (siehe Bild oben (Abb. 44.2)). Die beiden Felder breiten sich mit der Geschwindigkeit c in radialer Richtung aus." Wellenlänge: "Die Gleichungen (47) und (48) sagen ferner aus, dass die elektrische und magnetische Feldstärke im Fernfeld zeitlich in Phase liegen. Dies erklärt sich aus der hier überwiegenden Induktionswirkung des magnetischen Feldes. Jede Veränderung des magnetischen Feldes hat einen Auf- und Abbau des elektrischen Feldes zur Voraussetzung." Das Wort "Voraussetzung" stört mich jedoch etwas, denn das bedeutet einen zeitlichen Versatz, die Formel sagt aber die Gleichzeitigkeit, Phasengleichheit aus! |
Fragen und Probleme
So gut wie auch die Beschreibung mittels Formeln von Herrn Küpfmüller ist, klährt sie nur wenig die oben gestellten Fragen.In der im Bild dargestellten Situation befindet sich an der Antenne oben die positive Ladung, entsprechend unten die negative. Das elektrische Feld hat somit die Richtung von oben nach unten. |
Schwingende Ladung bedeutet, dass nun oben an der Antenne minus und unten plus werden kann. Fakt ist, dass nun ein neues elektrisches Feld entstanden sein mus, indem die Feldlinien eine andere Richtung haben müssen, von unten nach oben - was aber passiert mit dem bereits vorhandenem alten Feld? Nach vielen Literaturstellen und auch nach Herrn Küpfmüller kann es nicht wieder zur Antenne zurück, es wird selbständig! Symbolisch dargestellt durch die Feldlinien bilden sich nun geschlossene elektrische Feldlinien!. Das widerspricht jedoch der Aussagen, dass elktrische Felder zwischen Ladungsunterschieden existieren, nun "funktionieren" sie aber wie magnetische Felder. Symbolsch dargestellt, braucht man um eine geschlossene Feldlinie darzustellen, zwei Linien. Beide hatten zuvor die gleiche Richtung, welche Richtung hat nun die geschlossene Feldlinie? |
Welche Umlaufrichtung nimmt die geschlossene elektrische Feldlinie nun an? |
(64) |
(65) |
(66) |
Eine weitere Betrachtung (nach Wikipedia): "Das huygenssche Prinzip bzw. Huygens-Prinzip, auch huygens-fresnelsches Prinzip genannt (nach Christiaan Huygens und Augustin Jean Fresnel), besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle, der so genannten Elementarwelle, betrachtet werden kann. Die neue Lage der Wellenfront ergibt sich durch Überlagerung (Superposition) sämtlicher Elementarwellen. Da die Elementarwelle eine Kugelform bzw. Kreisform hat, bildet sich auch eine rücklaufende Welle." Huygen leitet diese Aussagen an Wasserwellen her, Fresnel tut das in gleicher Weise, jedoch mit Lichtwellen. Wie wir Anfangs festgestellt haben, ist Licht auch eine elektromagnetische Welle, deshalb sollte das Prinzip auch für Funkwellen gelten! |
Im Gegensatz zu Huygens, der in der Wellenfront von Massepunkten ausgeht, legen wir fest,
dass auf der Feldlinie, die die (Wirkung) Ladung Q darstellt, lauter kleine Teil-Ladungen
bestehen, dann kann man sagen, dass auf Grund der elektromagnetischen Kopplung, alle
benachbarten Teil-Ladungen zum Schwingen angeregt werden, der Zustand weitergegeben wird. Die Teil-Ladung schwingt an der Stelle rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung der Information, es bewegt sich nicht in Ausbreitungsrichtung. (etwa Grimsehl; Lehrbuch der Physik): "Der Eindruck einer fortschreitenden Welle kommt dann zustande, wenn sich eine Reihe von (Ladungs-)Teilchen nach dem selben Schwingungsgesetz bewegen, wenn aber der Anfang der Bewegung zweier aufeinander folgender Punkte stets um denselben Zeitunterschied verschieden ist." So einfach wie es in den Bildern (64) - (66) dargestellt ist, ist es eben nicht. Auf Grund der vielen Überlagerungen der enstehenden Elementarwellen bleibt offensichtlich nur die einhüllende Wellenfront übrig. |
Zur Realisierung dieser Annahmen muss es möglich sein, an jeder Stelle im Raum eine Ladung Q aufzubauen! |
Die beiden Bilder sind nahezu gleich, von einem Sender wird genau eine Sinus-Welle ausgesendet. | ||
Das passiert unten ebenfalls, aber oben handelt sich z.B. um eine schwingende Ladung, keine Teilladung verläßt ihre Positiom, es werden über die elektromagnetsche Kopplung die Nachbarn zum Schwingen angeregt. Im unteren Bild bewegen sich die Teilchen in Ausbreitngsrichtung (sieht man an den Zahlen unten), hier wird Energie übertragen! |
Das Beispiel aus
Wellen und Felder: