Grundsätze des Radios

Eine der faszinierendsten Anwendungen von Elektrizität ist die Erzeugung unsichtbarer Energiewellen, die als Radiowellen bezeichnet werden . Der begrenzte Umfang dieser Lektion zum Thema Wechselstrom erlaubt keine vollständige Erforschung des Konzepts, einige der Grundprinzipien werden behandelt.

Mit Oersteds zufälliger Entdeckung des Elektromagnetismus wurde erkannt, dass Elektrizität und Magnetismus miteinander verwandt sind.

Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter geleitet wurde, wurde ein Magnetfeld senkrecht zur Strömungsachse erzeugt. Wenn ein Leiter einer Änderung des magnetischen Flusses senkrecht zum Leiter ausgesetzt war, wurde eine Spannung entlang der Länge dieses Leiters erzeugt.

Bisher wussten die Wissenschaftler, dass sich Elektrizität und Magnetismus immer im rechten Winkel zu beeinflussen schienen. Unter diesem scheinbar einfachen Konzept der verwandten Rechtwinkligkeit lag jedoch eine wichtige Entdeckung, deren Enthüllung einer der entscheidenden Momente in der modernen Wissenschaft war.

Beziehung von elektrischen und magnetischen Feldern

Dieser Durchbruch in der Physik ist schwer zu überschätzen. Der Mann, der für diese konzeptionelle Revolution verantwortlich war, war der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879), der das Studium von Elektrizität und Magnetismus in vier relativ sauberen Gleichungen „vereinte“.

Im Wesentlichen entdeckte er, dass elektrische und magnetische Felder waren intrinsisch miteinander verbunden, mit oder ohne Vorhandensein eines leitenden Pfades für den Stromfluss. Formaler ausgedrückt war die Entdeckung von Maxwell diese:

Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein senkrechtes Magnetfeld, und

Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein senkrechtes elektrisches Feld.

All dies kann im freien Raum stattfinden, wobei sich die elektrischen und magnetischen Wechselfelder gegenseitig unterstützen, während sie mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum reisen. Diese dynamische Struktur elektrischer und magnetischer Felder, die sich durch den Weltraum ausbreiten, ist besser bekannt als elektromagnetische Welle .

Es gibt viele Arten von natürlicher Strahlungsenergie, die aus elektromagnetischen Wellen besteht. Sogar Licht ist elektromagnetischer Natur. Ebenso Röntgenstrahlen und „Gamma“-Strahlung.

Der einzige Unterschied zwischen diesen Arten elektromagnetischer Strahlung besteht in der Frequenz ihrer Schwingung (Wechsel der elektrischen und magnetischen Felder in der Polarität hin und her). Durch Verwendung einer Wechselspannungsquelle und eines speziellen Geräts namens Antenne , können wir mit Leichtigkeit elektromagnetische Wellen (mit einer viel niedrigeren Frequenz als die des Lichts) erzeugen.

Antennentypen

Eine Antenne ist nichts anderes als ein Gerät, das gebaut wurde, um ein streuendes elektrisches oder magnetisches Feld zu erzeugen. Zwei grundlegende Arten von Antennen sind der Dipol und die Schleife :Abbildung unten

Dipol- und Rahmenantennen.

Während der Dipol nur wie ein offener Stromkreis und die Schleife wie ein Kurzschluss aussieht, sind diese Drahtstücke effektive Strahler elektromagnetischer Felder, wenn sie an Wechselstromquellen der richtigen Frequenz angeschlossen werden. Die beiden offenen Drähte des Dipols wirken als eine Art Kondensator (zwei Leiter, die durch ein Dielektrikum getrennt sind), wobei das elektrische Feld für die Verteilung offen ist, anstatt sich zwischen zwei eng beabstandeten Platten zu konzentrieren.

Der geschlossene Drahtpfad der Rahmenantenne wirkt wie ein Induktor mit einem großen Luftkern, der wiederum dem Feld reichlich Gelegenheit bietet, sich von der Antenne weg zu verteilen, anstatt wie bei einem normalen Induktor konzentriert und eingeschlossen zu sein.

Wenn der angetriebene Dipol sein sich änderndes elektrisches Feld in den Weltraum abstrahlt, wird ein sich änderndes Magnetfeld im rechten Winkel erzeugt, wodurch das elektrische Feld weiter in den Weltraum aufrechterhalten wird, und so weiter, während sich die Welle mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Wenn die mit Strom versorgte Rahmenantenne ihr sich änderndes Magnetfeld in den Weltraum abstrahlt, wird ein sich änderndes elektrisches Feld im rechten Winkel erzeugt, mit dem gleichen Endergebnis einer kontinuierlichen elektromagnetischen Welle, die von der Antenne weggeschickt wird. Beide Antennen erfüllen dieselbe grundlegende Aufgabe:die kontrollierte Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes.

Funktionen einer Antenne

Wenn eine Antenne an eine Hochfrequenz-Wechselstromquelle angeschlossen ist, fungiert sie als Sendegerät Gerät, das Wechselspannung und -strom in elektromagnetische Wellenenergie umwandelt. Antennen haben auch die Fähigkeit, elektromagnetische Wellen abzufangen und ihre Energie in Wechselspannung und -strom umzuwandeln. In diesem Modus fungiert eine Antenne als Empfänger Gerät:Abbildung unten

Einfacher Funksender und -empfänger.

Es gibt zwar viel mehr, was über die Antennentechnologie gesagt werden kann, diese kurze Einführung reicht aus, um Ihnen eine allgemeine Vorstellung davon zu geben, was vor sich geht (und vielleicht genug Informationen, um ein paar Experimente zu provozieren).

RÜCKBLICK:

• James Maxwell entdeckte, dass sich ändernde elektrische Felder auch im leeren Raum senkrechte Magnetfelder erzeugen und umgekehrt.
• Ein Zwillingssatz aus elektrischen und magnetischen Feldern, die im rechten Winkel zueinander schwingen und sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, bilden eine elektromagnetische Welle .
• Eine Antenne ist ein aus Draht hergestelltes Gerät, das so konstruiert ist, dass es ein sich änderndes elektrisches Feld oder ein sich änderndes Magnetfeld ausstrahlt, wenn es von einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle gespeist wird, oder ein elektromagnetisches Feld abfängt und in eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom umwandelt.
• Der Dipol Die Antenne besteht aus zwei Drahtstücken (die sich nicht berühren), die in erster Linie ein elektrisches Feld erzeugen, wenn sie mit Strom versorgt werden, und sekundär ein magnetisches Feld im Weltraum erzeugen.
• Die Schleife Die Antenne besteht aus einer Drahtschleife, die in erster Linie ein magnetisches Feld erzeugt, wenn sie mit Strom versorgt wird, und sekundär ein elektrisches Feld im Weltraum erzeugt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Grundlegendes Arbeitsblatt zu Elektromagnetismus und elektromagnetischer Induktion