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Elektromagnetische Schwingung

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Elektromagnetische Schwingung

Stell Dir einmal die folgende Situation vor: Es ist Sonntagmorgen und Du bereitest Dir ein ausgiebiges Frühstück zu. Für die gemütliche Stimmung schaltest Du das Radio ein und Dein Lieblingslied läuft. Du drehst die Lautstärke hoch und singst ausgelassen mit. So weit, so normal.

Aber hast Du Dir schon einmal Gedanken darüber gemacht, wie praktisch es ist, dass Du einfach auf einen Knopf drücken kannst und Dein Lieblingsradiosender gespielt wird? Wie ist es möglich, dass so ein kleines Gerät Musik abspielen kann, und wie macht es das? Die Antwort liefern elektromagnetische Schwingungen. Was Du darüber wissen musst, erfährst Du in dieser Erklärung. Natürlich lernst Du auch, wie das mit dem Radio funktioniert.

Schwingungen in der Physik

Was stellst Du Dir unter Schwingungen in der Physik vor? Sie treten in unterschiedlichsten Formen im Alltag auf. Vielleicht kommt Dir dabei die mechanische Schwingung in den Sinn: Ein Objekt, etwa eine Schaukel, schwingt um eine Ruhelage hin und her. Dieses Beispiel führt Dich zu ihrer allgemeinen Definition.

Eine Schwingung ist eine zeitlich periodische Änderung einer oder mehrerer Größen um eine Ausgangslage.

Um diese Definition zu verdeutlichen, sieh Dir einmal das Beispiel mit der Schaukel an.

Ist die Schaukel im Ruhezustand, befindet sie sich in ihrer Ausgangslage. Sobald sie angestoßen wird, schwingt sie um diese Ausgangslage herum. Dabei ist der Ort der Schaukel die Größe, die sich zeitlich periodisch ändert. Die Schwingung heißt periodisch, da sich die Position, auf der sich die Schaukel befindet, in regelmäßigen Abständen wiederholt.

Während des Schwingvorgangs erfolgt eine Energieumwandlung. Potentielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt und umgekehrt. In Abbildung 1 kannst Du die mechanische Schwingung der Schaukel sehen.

Im Gegensatz zu den meist sichtbaren mechanischen Schwingungen im Alltag gibt es auch solche, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind.

Unsichtbare Schwingungen sind zum Beispiel bei der Ausbreitung von Schallwellen beteiligt. Dabei schwingen winzige und für unser Auge unsichtbare Teilchen um eine Ausgangslage herum. Dadurch kann sich der Schall in einem Raum ausbreiten.

Andere Schwingungen benötigen im Gegensatz zu den Schallwellen kein Medium, um sich auszubreiten. Dabei handelt es sich um sogenannte elektromagnetische Schwingungen. Die meisten davon sind unsichtbar, etwa Radio- oder Handystrahlung, Mikrowellen oder Wärmestrahlung.

Allerdings kann auch elektromagnetische Strahlung sichtbar sein denn bei Licht handelt es sich ebenfalls um elektromagnetische Schwingungen.

Elektromagnetische Schwingungen: Definition

Eine elektromagnetische Schwingung definiert sich wie die mechanische.

Eine elektromagnetische Schwingung ist eine zeitlich periodische Änderung der elektrischen und der magnetischen Feldstärke um eine Ausgangslage.

Eine Änderung des elektrischen Feldes geht immer mit einer Änderung des magnetischen Feldes einher. Daher kann es keine rein elektrische und keine rein magnetische Schwingungen geben. Die Abbildung 2 zeigt Dir eine elektromagnetische Welle, die sich in x-Richtung hin in einem dreidimensionalen x-y-z-Diagramm ausbreitet.

Du kannst erkennen, dass bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Schwingung die elektrische Feldstärke E und magnetische Feldstärke B senkrecht zueinander sowie senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (x-Achse) stehen. Beide Feldstärken verändern sich mit gleicher Frequenz, besitzen somit auch die gleiche Wellenlänge λ.

Die Ausbreitung von elektromagnetischen Schwingungen wird meistens durch Wellen beschrieben. Allerdings genügt die Beschreibung manchmal nicht, um alle Eigenschaften der Schwingungen zu erklären. Licht kann etwa beim sogenannten Photoeffekt eine Wechselwirkung mit Materie eingehen, wobei es Elektronen aus einer Oberfläche herauslöst. Dabei lässt sich also auch ein Teilchencharakter feststellen. Dieses Phänomen nennt man den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts.

Genaue Informationen dazu findest Du in den Erklärungen und Untersets zur "Quantenmechanik".

Von Radiowellen über Mikrowellen bis hin zu Röntgenstrahlung, Wärmestrahlung und Licht bei all diesen Beispielen wird Energie durch elektromagnetische Schwingungen übertragen. Aber wie werden diese erzeugt?

Der elektromagnetische Schwingkreis: Definition, Formel, Energieumwandlung

Um eine elektromagnetische Schwingung gezielt zu erzeugen, wird ein sogenannter Schwingkreis benötigt. Dabei handelt es sich um eine elektrische Schaltung mit mehreren Bauteilen.

Die wichtigsten Elemente für den Schwingkreis sind ein Kondensator und eine Spule, da beide Bauteile Energie speichern können. Der Kondensator sichert elektrische, die Spule magnetische Energie. Diese beiden Formen können durch den Schwingkreis periodisch ineinander umgewandelt werden.

Aufbau und Funktionsweise des elektromagnetischen Schwingkreises

Einen Versuchsaufbau zu einem elektromagnetischen Schwingkreis siehst Du in Abbildung 3.

Die Schaltung besteht aus zwei Stromkreisen (links und rechts), die durch den Schalter S voneinander entkoppelt sind. Zunächst befindet sich der Schalter auf den Positionen 1 bis 3, wie in der Abbildung dargestellt. Da nun der rechte Stromkreis unterbrochen ist, kannst Du Dich nur auf den Linken konzentrieren.

Sobald Du das Netzteil anschaltest, lädt sich der Kondensator der Kapazität C auf. Ist er gefüllt, fließt kein Strom mehr und die maximale Spannungfällt am Kondensator ab.

Lies Dir dazu gerne die beiden Erklärungen zu den Themen "Aufladen eines Kondensators" und "Entladen eines Kondensators" durch.

Schließlich legst Du den Schalter auf die Position 1 bis 2 um. Nun ist das Netzteil vom Stromkreis entkoppelt und der Kondensator leitend mit der Spule verbunden. Er fungiert nun als Spannungsquelle und erzeugt einen Stromfluss durch die Spule, der dort ein Magnetfeld produziert.

Durch Selbstinduktion in der Spule entsteht jetzt ein Strom, der den Kondensator wieder in entgegengesetzter Richtung auflädt. Dieser Vorgang setzt sich jetzt immer weiter fort: Abwechselnd werden der Kondensator und die Spule auf- und entladen.

Es handelt sich hier um einen Wechselstromkreis. Denn im Gegensatz zu einem Gleichstromkreis bleibt die Stärke und Richtung des Stromes nicht konstant, sondern ändert sich periodisch über der Zeit.

Sieh Dir dazu die Erklärung "Der Wechselstromkreis" an.

Bei mechanischen Schwingungen findet eine Umwandlung von verschiedenen Energieformen ineinander statt. Genau das passiert auch beim elektromagnetischen Schwingkreis.

Energieumwandlung im elektromagnetischen Schwingkreis

Während sich der Kondensator füllt, speichert er Energie in Form elektrischer Feldenergie. Diese sorgt dafür, dass der Kondensator anschließend als Spannungsquelle für das Aufladen der Spule fungiert. Es wird ein Stromfluss durch die Spule und somit ein Magnetfeld erzeugt. Die Spule speichert magnetische Energie. Die elektrische Feldenergie des Kondensators wandelt sich also in die magnetische Feldenergie der Spule um.

Anschließend wird durch Selbstinduktion der Spule wieder ein elektrisches Feld im Kondensator erzeugt. Auch hier wird die magnetische wieder in elektrische Energie umgewandelt. Das ist ein periodischer Vorgang, da die Umwandlung ständig geschieht.

Sieh Dir die Formeln zur Berechnung der elektrischen und der magnetischen Energie des Kondensators und der Spule an. Zuerst die des Kondensators:

Die elektrische Energie eines Kondensatorskannst Du folgendermaßen berechnen:

Elektromagnetische Schwingung Berechnung elektrische Energie Kondensator Spannung StudySmarter

Betrachte nun die Energie, die in der Spule gespeichert werden kann:

Die magnetische Energie einer Spulekannst Du durch folgende Formel berechnen:

Elektromagnetische Schwingung Berechnung magnetische Energie Spule Strom StudySmarter

Die in dem Schwingkreis existierende Gesamtenergie besteht aus der elektrischen und der magnetischen Energie.

Die Gesamtenergie im Schwingkreis lässt sich zu jedem Zeitpunkt aus der Summe der elektrischen und der magnetischen Energie berechnen. Du erhältst:

Elektromagnetische Schwingung Berechnung elektrische Energie magnetische Energie Kondensator Spule StudySmarter

Um die Spannung am Kondensator und den Strom an der Spule zu jedem Zeitpunkt bestimmen zu können, kannst Du Dir deren Verlauf genauer ansehen. Dabei musst Du zwischen einem ungedämpften und einem gedämpften Schwingkreis unterscheiden.

Die wichtigsten Formeln zum ungedämpften Schwingkreis

Im idealen Fall, den Du hier gerade betrachtest, hättest Du ein Perpetuum Mobile geschaffen. Das heißt, dass sich die beiden Energieformen für immer ineinander umwandeln würden. Es handelt sich dann um einen ungedämpften Schwingkreis.

Da aber eine Energieumwandlung nicht ohne Verluste möglich ist, kann ein ungedämpfter Schwingkreis in der Realität nur existieren, wenn ihm ständig genauso viel Energie zugeführt wird, wie bei der Umwandlung der beiden Energieformen verloren geht.

Mehr Details zum ungedämpften Schwingkreis erfährst Du in der gleichnamigen Erklärung.

Um herauszufinden, wie sich die Spannung am Kondensator und der Strom an der Spule über die Zeit verändern, kannst Du Dir zunächst einmal die Periodendauer des Schwingvorgangs ansehen:

Die Periodendauer T eines Schwingkreises – bestehend aus einem Kondensator der Kapazität C und einer Spule der Induktivität L – lässt sich anhand der Thomsonschen Schwingungsgleichung beschreiben. Die Periodendauer beträgt:

Elektromagnetische Schwingung Thomsonsche Formel Periodendauer Kondensator Spule StudySmarter

Bei einer Schwingung verändern sich die Größen periodisch. Beim Schwingkreis handelt es sich dabei um den Strom und die Spannung. Wie genau die zeitlichen Verläufe aussehen, erfährst Du jetzt.

Strom- und Spannungsverlauf beim Schwingkreis

Um den Spannungs- und den Stromverlauf in dem Schwingkreis zu jedem Zeitpunkt beschreiben zu können, betrachtest Du nun einen idealisierten Schwingkreis – bestehend allein aus den beiden wichtigen Elementen Kondensator und Spule. Diesen kannst Du in Abbildung 4 sehen.

In Blau ist die maximale Spannung am Kondensator und in Rot der maximale Strom durch die Spule zu den verschiedenen Zeitpunkten einer Schwingungsperiode T eingezeichnet.

Was Du in Abbildung 4 erkennen kannst, ist, dass entweder die Spannung oder der Strom maximal sind, niemals aber beide gleichzeitig.

Sieh Dir nun den am Kondensator gemessenen Spannungsverlauf und den an der Spule gemessenen Stromverlauf in dem Diagramm der Abbildung 5 an.

Der Spannungsverlauf ist in Blau und der Stromverlauf in Rot dargestellt – wie auch in Abbildung 4. Wie verhalten sich die beiden Verläufe zu verschiedenen Zeitpunkten in einer Periode T?

Zum Zeitpunktist der Kondensator voll aufgeladen. Daher ist die Spannung am Kondensator zu diesem Zeitpunkt maximal. In diesem Fall fließt kein Strom und somit ist der Strom durch die Spule gleich Null.

Bei voller Ladung dient der Kondensator als Spannungsquelle und erzeugt einen Stromfluss durch die Spule. Die Spannung nimmt stetig ab. Der Strom ist zum Zeitpunktam größten und gleichzeitig ist die Spannung am Kondensator zu diesem Zeitpunkt gleich Null.

Durch die Selbstinduktion in der Spule wird dann ein Strom erzeugt, der der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt (Lenzsche Regel). Dadurch wird der Kondensator wieder aufgeladen und die Spannung erhöht sich, diesmal aber entgegengesetzt zur vorherigen Ladung.

Die Spannung ist zum Zeitpunktvom Betrag her wieder maximal. Hier wird jedoch von einer negativen Spannung gesprochen, da sie anders gepolt ist als die Spannung zum Zeitpunkt. Der Strom ist zu diesem Zeitpunkt wieder gleich Null.

Wenn der Kondensator voll aufgeladen ist, fungiert er wieder als Spannungsquelle und der Stromfluss erhöht sich erneut. Er fließt in die andere Richtung als zum Zeitpunkt ist also negativ. Zum Zeitpunkthat der Strom vom Betrag her wieder einen maximalen Wert erreicht, während die Spannung am Kondensator Null ist.

Zum Zeitpunkthat sich wieder der Ausgangszustand von Zeitpunkteingestellt. Die Spannung am Kondensator hat einen maximalen Wert erreicht und der Strom durch die Spule ist gleich Null. Der Schwingvorgang wiederholt sich nun periodisch.

Du kannst sehen, dass die Spannung immer dann einen maximalen Wert erreicht, wenn der Strom gleich Null ist, und umgekehrt. Der Spannungs- und der Stromverlauf haben somit einen Phasenversatz (Phasenverschiebung) von.

Du kannst den Spannungs- und Stromverlauf nun durch Sinus- bzw. Cosinusfunktionen entsprechend Abbildung 5 darstellen. Sieh Dir vorher den Spannungsverlauf U(t) an.

Den Spannungsverlauf U(t) einer elektromagnetischen Schwingung kannst Du zu jedem Zeitpunkt folgendermaßen beschreiben:

Elektromagnetische Schwingung Berechnung Spannung Winkelfrequenz StudySmarter

Entsprechend wird auch eine Gleichung zum Beschreiben des Stromes aufgestellt:

Den Stromverlauf I(t) einer elektromagnetischen Schwingung kannst Du zu jedem Zeitpunkt folgendermaßen beschreiben:

Elektromagnetische Schwingung Berechnung Strom Winkelfrequenz StudySmarter

Weiter oben hast Du erfahren, dass es sich hierbei um einen idealisierten Schwingkreis handelt, da keine Energie bei der Umwandlung verloren geht. Wenn Du nicht idealisierte Bedingungen hinzuziehst, betrachtest Du einen gedämpften Schwingkreis.

Der gedämpfte Schwingkreis

In der Realität wird die Energie, die zwischen dem Kondensator und der Spule hin und her schwingt, immer geringer, bis die Schwingung schließlich abflacht. Es kommt unter realen Bedingungen immer zu Verlusten in Form von Wärme und Reibung.

Auch bei dem Beispiel der mechanischen Schwingung der Schaukel kannst Du feststellen, dass eine Schaukel, die einmal angestoßen wurde, nicht unendlich weiter schwingt. Die Schwingungen werden durch den Luftwiderstand und durch Reibung immer kleiner, bis sie schließlich wieder in ihrer Ausgangslage stehen bleibt. Es handelt sich dabei um einen gedämpften Schwingkreis.

Den entsprechenden Spannungs- und Stromverlauf kannst Du in Abbildung 6 sehen.

Bei dem gedämpften Schwingkreis wird also die Amplitude der Schwingung mit der Zeit immer kleiner, bis sie abgeflacht ist und in der Ausgangslage ruht.

Mehr über den gedämpften Schwingkreis erfährst Du in der gleichnamigen Erklärung.

Wie Du bereits gelernt hast, sind elektromagnetische Schwingungen sehr energiereich und dienen dazu, elektromagnetische Energie zu übertragen. Je höher die Frequenz der Schwingung ist, desto mehr Energie und Informationen können weitergegeben werden. Wie eine möglichst hohe Übertragung erreicht wird, wird deutlich, wenn Du Dir den Hertzschen Dipol näher ansiehst.

Der Hertzsche Dipol

Aus der Thomsonschen Formel kannst Du erkennen, dass die Frequenz größer wird, je kleiner die Induktivität der Spule und die Kapazität des Kondensators sind. Um dies zu erreichen, verändere den Schwingkreis nun Stück für Stück.

Die Schritte kannst Du in Abbildung 7 sehen.

Du verkleinerst die Induktivität, indem Du die Windungszahl der Spule verringerst, bis schließlich nur noch eine Windung übrig ist. Anschließend reduzierst Du auch die Kapazität des Kondensators, indem Du den Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten immer weiter erhöhst.

Als Ergebnis erhältst Du dann einen sogenannten Hertzschen Dipol. Dabei handelt es sich um einen offenen Schwingkreis. Das bedeutet, dass in diesem Fall kein geschlossener Stromkreis vorliegt.

Das Gegenteil dazu ist der geschlossene Schwingkreis, bei dem ein geschlossener Stromkreis mit Kondensator und Spule existiert. Diese Version hast Du in Abbildung 4 betrachtet.

Detaillierte Infos zu geschlossenen und offenen Schwingkreisen findest Du in der Erklärung zum Thema "Geschlossener und offener Schwingkreis".

Der Hertzsche Dipol erzeugt ein elektromagnetisches Feld. Er kann somit als eine Sendeantenne für elektromagnetische Schwingungen betrachtet werden. Dabei handelt es sich allerdings um eine idealisierte Version, da es nicht möglich ist, sie ohne Energieverlust zu erzeugen. Der Hertzsche Dipol kann dazu verwendet werden, um reale Antennen besser zu beschreiben und verstehen.

Mehr zum "Hertzschen Dipol" findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

Du hast in dieser Erklärung bis jetzt viel Theorie zu den elektromagnetischen Schwingungen erfahren. Nun lernst Du einige Anwendungen kennen, die durch sie funktionieren.

Elektromagnetische Schwingungen: Anwendungen

Wie bereits erwähnt, sind elektromagnetische Schwingungen aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Hier findest Du einige Beispiele.

Elektromagnetische Schwingung im Alltag

Die meisten technischen Erfindungen, wie das Handy, der Fernseher, das Radio oder die Mikrowelle, funktionieren durch elektromagnetische Schwingungen. Oft auch als elektromagnetische Wellen bezeichnet, können sie ein hohes Maß an Informationen über weite Strecken übertragen. Daher ist es möglich, sie zur Sendung von Sprache und Bildern für das Radio, das Fernsehen oder den Handyempfang zu nutzen.

Elektromagnetische Schwingungen Beispiel: Radio

Und wie genau funktioniert nun das Radio? Einen Aufbau dazu kannst Du in Abbildung 8 sehen.

  • Zuerst müssen Informationen erzeugt werden, die dann übertragen werden können. Die Produktion des Radiosenders nimmt also zuerst eine Sendung auf. Dies geschieht durch Schallwellen. Wenn Du sprichst, erzeugst Du unsichtbare Schallwellen, die dafür verantwortlich sind, dass Sprache über die Luft von Deinem Mund zu dem Ohr des Gegenübers gesendet wird.
  • Diese Schallwellen können wir über ein Mikrofon aufnehmen. Das Mikrofon wandelt dann diese Schallwellen in elektromagnetische Schwingungen um. Dabei wird die Information der Sprache in elektrische und magnetische Signale umgewandelt.
  • Über eine Sendeantenne werden diese dann ausgestrahlt. Elektromagnetische Schwingungen können wegen ihrer hohen Frequenz durch Materialien wie Fenster oder Wände dringen und über weite Strecken übertragen werden. So gelangen die elektromagnetischen Schwingungen zu Dir nach Hause.
  • Wenn du nun eine Empfangsantenne besitzt, kannst du diese Schwingungen einfangen. Genauso eine Empfangsantenne besitzt dein Radio. Es kann somit die Radiowellen, die sich überall im Raum befinden, einfangen und wieder in Schallwellen umwandeln. Diese Schallwellen kannst du dann als Radiosendung oder Musik mit deinem Ohr hören.

Allerdings gibt es ja nicht nur einen, sondern sehr viele Radiosender. Vielleicht fragst Du Dich, wie das Gerät aus den ganzen elektromagnetischen Schwingungen der verschiedenen Radiosender genau die empfängt, die Du grade hören möchtest?

  • Jeder Radiosender sendet seine elektromagnetischen Schwingungen auf einer etwas anderen Frequenz. Deine Empfangsantenne kannst du nun so einstellen, dass sie eben nur Schwingungen einer ganz bestimmten Frequenz empfängt. Bei alten Radios kannst Du diese Frequenzen noch manuell suchen und einstellen.

Wie Du in Abbildung 8 sehen kannst, wird die Amplitude der elektromagnetischen Schwingung immer kleiner, je weiter sich die Schwingungen ausbreiten. Durch Absorption, Streuung oder Reflexion werden die Schwingungen immer weiter abgeschwächt. Damit ist eine Ausbreitung nur über eine bestimmte Distanz möglich. Das ist der Grund dafür, dass Du Deinen Lieblingsradiosender im Ausland meistens nicht mehr empfangen kannst.

Elektromagnetische Schwingungen messen

Wie können elektromagnetische Schwingungen nun wahrgenommen oder gemessen werden?

Ganz allgemein heißen die Empfänger für elektromagnetische Strahlung Sensoren. Radiowellen, die zur Funktechnik gehören, können über Empfangsantennen detektiert werden. Zur Funktechnik gehören neben den Radiowellen auch Mobilfunkwellen des Handys oder die Fernsehübertragung. Demnach sind in unseren Handys winzige Empfangsantennen eingebaut, die die elektromagnetischen Strahlungen für deinen Handyempfang einfangen können.

Das war allerdings nicht immer so. Früher besaßen Handys noch große Antennen, die extra zum Telefonieren herausgezogen werden mussten. Ein solches Exemplar aus den 1990er-Jahren kannst Du in Abbildung 9 sehen.

Elektromagnetische Strahlung mit Teilchencharakter also Licht kann beispielsweise durch Photosensoren detektiert werden. Diese funktionieren anhand des bereits oben erwähnten Photoeffekts.

Eine genauere Beschreibung findest Du in den Erklärungen zur "Quantenmechanik".

Auch Lebewesen können elektromagnetische Schwingungen detektieren. Bei ihnen heißen die Sensoren Photorezeptoren. Es handelt sich dabei um lichtempfindliche Zellrezeptoren. Ein Beispiel sind unsere Augen. Auch Pflanzen und Pilze besitzen Photorezeptoren, die die Entstehung der Blüten, die Grünfärbung von Pflanzenteilen oder deren Wachstumsvorgänge steuern.

Elektromagnetische Schwingung - Das Wichtigste

  • Eine elektromagnetischen Schwingung ist eine zeitlich periodische Änderung der elektrischen und der magnetischen Feldstärke um eine Ausgangslage.
  • Elektromagnetische Schwingungen können über einen Schwingkreis erzeugt werden. Dieser besteht mindestens aus einem Kondensator und einer Spule. Dabei wird ständig elektrische in magnetische Energie umgewandelt und umgekehrt.
  • Die Periodendauer T eines Schwingkreises, bestehend aus einem Kondensator der Kapazität C und einer Spule der Induktivität L, lässt sich über die Thomsonsche Formel berechnen:

  • Die Energie im Schwingkreiskann zu jedem Zeitpunkt über die Summe aus der elektrischen Energie und der magnetischen Energie berechnet werden:

  • Elektromagnetische Schwingungen kommen in unterschiedlichster Weise im Alltag vor, zum Beispiel als Radio- oder Handystrahlung, Mikrowellen, Wärmestrahlung oder Licht.
  • Sie können durch Sensoren gemessen werden. In der Funktechnik also beispielsweise beim Empfangen von Handy- oder Radiostrahlung werden dafür Antennen eingesetzt.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Elektromagnetische Schwingung

Eine elektromagnetische Schwingung entsteht in einem Schwingkreis durch periodische Umwandlung von elektrischer in magnetische Energie und umgekehrt. 

Der elektromagnetische Schwingkreis besteht aus einem Kondensator und einer Spule. Am Kondensator baut sich eine Spannung auf und somit wird in ihm elektrische Energie gespeichert. Anschließend fungiert der Kondensator als Spannungsquelle und sorgt für einen Stromfluss durch die Spule. Die Spannung wird kleiner und der Stromfluss durch die Spule größer. Es baut sich ein magnetisches Feld in der Spule auf. Durch Selbstinduktion wird ein Strom in entgegengesetzter Richtung aufgebaut, der den Kondensator wieder auflädt. Diese beiden Vorgänge wechseln sich periodisch ab und erzeugen somit ein elektromagnetisches Feld.

Um eine ungedämpfte Schwingung zu erzeugen, muss dem Schwingkreis ständig so viel Energie zugeführt werden, wie durch Verluste verloren geht.

Eine elektromagnetische Schwingung ist eine zeitlich periodische Änderung der elektrischen und der magnetischen Feldstärke um eine Ausgangslage.

Finales Elektromagnetische Schwingung Quiz

Frage

Beschreibe, was du allgemein unter einer Schwingung verstehst.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine elektromagnetische Schwingung ist eine zeitlich periodische Änderung der elektrischen und der magnetischen Feldstärke um eine Ausgangslage. 

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Frage

Erläutere, was du unter einer elektromagnetischen Schwingung verstehst.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer elektromagnetischen Schwingung handelt es sich um eine zeitlich periodische Änderung der elektrischen und der magnetischen Feldstärke. 

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie du elektromagnetische Schwingungen  beispielsweise für Funkwellen – erzeugen kannst.

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Antwort

Elektromagnetische Schwingungen lassen sich durch einen Schwingkreis bestehend aus einem Kondensator und einer Spule erzeugen.

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Frage

Erkläre den Unterschied zwischen einem gedämpften und einem ungedämpften Schwingkreis.

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Antwort

Die Energie eines gedämpften Schwingkreises klingt über der Zeit ab. Das heißt, dass die Energie in Form von Wärme und Reibung verloren geht. 


Bei einem ungedämpften Schwingkreis bleibt die Energie konstant erhalten. Dies ist nur möglich, wenn dem Schwingkreis ständig genauso viel Energie zugeführt wird, wie bei der Umwandlung der beiden Energieformen verloren geht. Oft wird bei einer idealisierten Betrachtungsweise von einem ungedämpften Schwingkreis ausgegangen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was du unter einem Hertzschen Dipol verstehst.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Hertzsche Dipol entsteht, wenn du schrittweise deinen Schwingkreis anpasst, um möglichst viel Energie zu übertragen. Das erreichst du, indem du die Frequenz in dem Schwingkreis durch eine Verkleinerung der Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators erhöhst. 


Bei dem Hertzschen Dipol handelt es sich also um eine idealisierte Antenne, die dazu verwendet werden kann, um reale Antennen besser zu beschreiben und verstehen.

Frage anzeigen

Frage

Prüfe, wobei es sich um KEINE elektromagnetische Schwingung in unserem Alltag handelt.

Antwort anzeigen

Antwort

Schwingung einer Schaukel

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie elektromagnetische Schwingungen gemessen werden können.

Antwort anzeigen

Antwort

Elektromagnetische Schwingungen können durch Sensoren gemessen werden. In der Funktechnik – also beispielsweise beim Empfangen von Handy- oder Radiostrahlung – werden dafür Antennen eingesetzt. Auch Lebewesen können durch so genannte Photorezeptoren elektromagnetische Schwingungen in Form von Licht detektieren und ihr Wachstum danach ausrichten.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie der Spannungs- und der Stromverlauf in einem gedämpften Schwingkreis aussehen.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei dem gedämpften Schwingkreis wird die Amplitude der Schwingung mit der Zeit immer kleiner bis die Schwingung abgeflacht ist und in der Ausgangslage ruht. 

Frage anzeigen

Frage

Entscheide, welche beiden Energieformen bei elektromagnetischen Schwingungen ineinander umgewandelt werden.

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrische und Magnetische Energie

Frage anzeigen

Frage

Entscheide, welche elektronischen Bauelemente man mindestens für einen Schwingkreis benötigt.

Antwort anzeigen

Antwort

Kondensator und Spule

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was du unter einem Hertzschen Dipol verstehst.

Antwort anzeigen

Antwort

Es handelt sich um eine idealisierte Betrachtungsweise, um die Entstehung und Ausbreitung von elektromagnetischen Schwingung vereinfacht erklären zu können. Der Hertzsche Dipol besteht aus zwei Polen mit entgegengesetzten Ladungen. Durch diese Ladungsverschiebung können sich elektromagnetische Schwingungen ausbreiten.  

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche, was der Unterschied zwischen einer Nahfeld- und einer Fernfeldbetrachtung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Nahfeldbetrachtung bezieht sich auf das Feld, was sich unmittelbar am Dipol ausbildet. Im Gegensatz dazu betrachtest du das Fernfeld, welches sich in ausreichendem Abstand zum Dipol aufbaut. 

Frage anzeigen

Frage

Erläutere das Abstrahlverhalten der elektromagnetischen Strahlung im Fernfeld.

Antwort anzeigen

Antwort

Im Fernfeld löst sich dann der Phasenversatz zwischen den beiden Feldern auf. Es baut sich eine Schwingung bestehend aus elektrischer und magnetischer Feldstärke auf, die senkrecht aufeinander stehen. 

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum der Übergang von einem Schwingkreis zu einem Dipol gemacht wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Ziel ist es möglichst viel Information zu übertragen. Das ist durch besonders energiereiche Strahlung möglich. Die Strahlung hat dann ihre größte Energie, wenn die Frequenz möglichst hoch ist. Über die Thomsonsche Formel erkennst du, dass eine hohe Frequenz durch eine möglichst kleine Kapazität des Kondensators und Induktivität einer Spule erreichst. Der Dipol ist damit ein Schwingkreis, bei dem sowohl die Kapazität, als auch die Induktivität sehr klein sind.

Frage anzeigen

Frage

Entscheide, ob es sich bei einem Hertzschen Dipol um einen offenen oder einen geschlossenen Schwingkreis handelt.

Antwort anzeigen

Antwort

offer Schwingkreis

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, welche Besonderheit die elektrischen Feldlinien des abgestrahlten Feldes aufweisen.

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Antwort

Die elektrischen Feldlinien beginnen und enden nicht mehr in Ladungen. Sie sind geschlossen.

Frage anzeigen

Frage

Ermittle, warum du die elektromagnetischen Schwingungen des Dipols als periodisch bezeichnest.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ausbildung des elektrischen und magnetischen Feldes widerholt sich periodisch. Nach einer bestimmten Periodendauer T kann man das gleich Verhalten bei der Ausbildung der Felder, wie bereits zuvor betrachten.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie die Feldlinien am Dipol verlaufen.

Antwort anzeigen

Antwort

Die elektrischen Feldlinien verlaufen vom positiven Ende zum negativen Ende des Dipols.


Die magnetischen Feldlinien verlaufen kreisförmig um den Dipol. Die Richtung kann mit Hilfe der Drei-Finger-Regel bestimmt werden.

Frage anzeigen

Frage

Entscheide, ob die Ausbreitung von elektromagnetischen Strahlungen in einem Medium immer langsamer oder schneller als im Vakuum ist.

Antwort anzeigen

Antwort

langsamer

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was mit der Strom- und Spannungsrichtung im Wechselstromkreis passiert.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Strom- und Spannungsrichtung verändert sich zeitlich mit einer gewissen Frequenz.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie sich der Widerstand im Wechselstromkreis abhängig von der Frequenz verhält.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Frequenz hat keinen Einfluss.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie eine Spule im Wechselstromkreis abhängig von der Frequenz wirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Frequenz hat keinen Einfluss.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie ein Kondensator im Wechselstromkreis abhängig von der Frequenz wirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Frequenz hat keinen Einfluss.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wodurch eine frequenzabhängige Widerstandswirkung einer Spule entsteht.

Antwort anzeigen

Antwort

Fließt ein Strom durch eine Spule so befindet sich um die Spule ein Magnetfeld. Ändert sich die Stromrichtung wird dadurch auch das Magnetfeld um die Spule verändert. Eine Veränderung des Magnetfeldes bedeutet auch Induktion. Diese sogenannte Selbstinduktion wirkt aufgrund der Lenzschen Regel entgegengesetzt ihrer Entstehung. Die Entstehung ist der Wechselstrom. Deswegen wirkt die Spule als ein Widerstand im Wechselstrom. Je höher die Frequenz, desto öfter und stärker wird induziert. Dementsprechend ist auch bei hoher Frequenz die Widerstandswirkung größer.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wodurch die frequenzabhängige Widerstandswirkung eines Kondensators entsteht.

Antwort anzeigen

Antwort

Legst du eine Spannung an einen Kondensator an, dann lädt sich dieser auf und der Stromfluss nimmt mit der Zeit ab, bis der Kondensator vollgeladen ist. Legst du nun eine Wechselspannung an, wird der Kondensator kurzzeitig in eine Richtung geladen. Nach der Umpolung wird er in die andere Richtung geladen. Je länger ein Ladevorgang in eine Richtung anhält, desto größer ist der Widerstand durch den Kondensator. Wenn also sehr schnell umgepolt wird (hohe Frequenz), sind die Ladevorgänge nur extrem kurz und somit ist auch der Widerstand bei hoher Frequenzen geringer als bei niedrigen Frequenzen.

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche die Widerstandswirkung einer Spule im Gleich- und Wechselstromkreis.

Antwort anzeigen

Antwort

Spule im Gleichstromkreis: Nach dem Einschaltvorgang wirkt sie wie ein langes Stück Draht mit einem sehr geringen Widerstand.

Spule im Wechselstromkreis: Bei niedriger Frequenz wirkt sie als geringer Widerstand. Je höher die Frequenz, desto höher auch die Widerstandswirkung.

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche die Widerstandswirkung eines Kondensators im Gleich- und Wechselstromkreis.

Antwort anzeigen

Antwort

Kondensator im Gleichstromkreis: Lädt sich anfangs auf. Wenn aufgeladen, dann wirkt der Kondensator wie eine Auftrennung des Stromkreises und somit wie ein fast unendlich großer Widerstand.


Kondensator im Wechselstromkreis: Bei niedriger Frequenz wirkt der Kondensator als großer Widerstand. Je größer die Frequenz, desto geringer die Widerstandswirkung.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, als was du ein elektrisches Signal vereinfacht betrachten kannst.

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Antwort

Du kannst ein elektrisches Signal vereinfacht auch als eine Wechselspannungsquelle betrachten.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, ob die Netzspannung einer normalen Steckdose in Deutschland Gleichspannung oder Wechselspannung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Wechselspannung

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe kurz, wie die Polung einer Wechselspannung innerhalb einer Sekunde abläuft, wenn diese eine Frequenz von zwei Hertz besitzt.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Frequenz von zwei Hertz bedeutet zwei gesamte Umpolungen pro Sekunde.

So z.B.: von + nach - zurück zu + wieder zu - und am Ende wieder zu +

Du kannst auch + und - vertauschen. Wichtig ist, dass es zwei komplette Durchläufe (Perioden) sind.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie das Phänomen heißt, aufgrund dessen eine Spule im Wechselstromkreis einen erhöhten Widerstand darstellen kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Induktion / Selbstinduktion

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie eine Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand auf ein Signal gewisser Frequenz wirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

Signale hoher Frequenzen werden stark gedämpft.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie du hochfrequente Signale mit einer einfachen Schaltung abdämpfen und kleinere Frequenzen trotzdem mit wenig Abschwächung passieren lassen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür kannst du eine Reihenschaltung von Spule und Widerstand benutzen. Bei hohen Frequenzen wirkt die Spule wie ein großer Widerstand und dämpft somit die hochfrequenten Signale ab. Niedrige Frequenzen werden nur wenig abgeschwächt, da die Widerstandswirkung der Spule bei geringen Frequenzen sehr klein ist.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, welche Signale bestimmter Frequenzen durch einen Schwingkreis allgemein stark gedämpft werden.

Antwort anzeigen

Antwort

Signale hoher Frequenzen werden stark gedämpft.

Frage anzeigen
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