Ausbreitung der Wellen

Ausbreitung der Wellen Übung

• Finde Eigenschaften von Hertz'schen Wellen.

  Tipps

  Im Fahrstuhl oder anderen mit Metall ummantelten Räumen hast du häufig keinen oder nur sehr schlechten Handyempfang. Wohin verschwinden die Wellen, wenn sie auf das Material treffen und hat Metall besondere Eigenschaften gegenüber anderen Wänden?

  Die Hertz'sche Welle hat fast die gleichen Eigenschaften wie andere Wellen. Wie verhält sich eine Wasserwelle, wenn sie auf einen kleinen Spalt oder eine Wand trifft?

  Wenn ein Lichtstrahl auf eine Wasseroberfläche trifft, dann wird ein Teil gebrochen und ein Teil reflektiert. Der Teil, der in das Wasser gelangt, verändert seine Richtung, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Wasser anders ist als in Luft. Woran liegt das und wäre das bei Hertz'schen Wellen genauso?

  Lösung

  Eine Hertz'sche Welle verhält sich fast genauso wie jede andere Welle. Dies gilt insbesondere für Wellen des elektromagnetischen Spektrums, denn dort gehören auch die Hertz'schen Wellen zu.

  Somit können Hertz'sche Wellen sowohl reflektiert als auch gebeugt und gebrochen werden.

  Reflexion begegnet dir bei leitenden Materialien. Diese können von den Hertz'schen Wellen nicht durchdrungen werden. Das ist so, als würde eine Wasserwelle auf eine Wand treffen und die Welle dann zurückgeworfen werden.

  Beugung kann dir zum Beispiel bei massiven Bergen begegnen. Diese können von den Wellen aufgrund ihrer Dicke nicht durchdrungen werden. Die Wellen werden jedoch an den Spitzen gebeugt und du kannst auch hinter dem Berg Hertz'sche Wellen empfangen.

  Brechung von Hertz'schen Wellen erfolgt wie bei anderen Wellen beim Übergang zwischen Medien verschiedener Dichte. Das kann zum Beispiel der Übergang von dichteren in dünnere Luftschichten am Rand unserer Atmosphäre sein. Je nach Medium hat die Welle dann auch eine unterschiedliche Geschwindigkeit.

  Durch diese drei Begebenheiten können Wellen auch ihre Richtung ändern. Kommt es jedoch nicht zu einer sprunghaften Veränderung, dann breitet sich eine Hertz'sche Welle immer geradlinig aus.

• Beschreibe eine Besonderheit bei der Positionierung von Satelliten.

  Tipps

  Luft und Wasser sind optisch gesehen verschieden dicht. Wenn Licht verschieden dichte Medien durchquert, dann ändert es dabei seine Ausbreitungsrichtung. Warum ist das so und wie wird das Phänomen genannt? Bei Hertz'schen Wellen hat es dieselben Gründe.

  Eine Welle kann gebeugt, gebrochen oder reflektiert werden. Bei allen drei Arten ändert sich hierbei die Ausbreitungsrichtung. Bei der Brechung hängt dies jedoch mit dem Durchgang durch verschiedene Medien zusammen.

  Hertz'sche Wellen breiten sich nur im Vakuum wirklich mit Lichtgeschwindigkeit aus. In Luft gilt dies nur annähernd. In anderen Medien breiten sie sich sogar mit ganz anderen Geschwindigkeiten aus. Was könnten dann Veränderungen in der Luft bewirken?

  Lösung

  Vom Satelliten aus werden Hertz'sche Wellen ausgesendet.
  Zuerst bewegen sich im luftleeren Raum außerhalb unserer Atmosphäre. Dort bewegen sich Hertz'sche Wellen mit Lichtgeschwindigkeit.

  Auch in Luft bewegen sich Hertz'sche Wellen annähernd mit Lichtgeschwindigkeit. Jedoch nicht genau und je nachdem wie die Luft beschaffen ist, ist auch die Geschwindigkeit unterschiedlich.

  Auf dem Weg vom Satelliten zur Erde bewegen sich die Wellen durch unterschiedlich dichte Luftschichten. Die Geschwindigkeit der Wellen ändert sich beim Übergang zwischen verschiedenen Luftschichten.
  Die Welle wird dann gebrochen und ändert ihre Ausbreitungsrichtung etwas.

• Erkläre was passiert, wenn sich elektromagnetische Wellen überlagern.

  Tipps

  Wie beim Licht kommt es auch bei Hertz'schen Wellen zu Interferenzerscheinungen. Wie werden die besonderen Interferenzfälle bei Licht genannt und wie zeigen sich diese?

  Bei Interferenz von Licht entstehen die Interferenzmaxima bei konstruktiver und die Minima bei destruktiver Interferenz. Die Maxima sind dabei als helle, beleuchtete Streifen erkennbar, an den Minima ist kein Licht zu erkennen. Wie könnte dieses Prinzip auf Wellen übertragen werden?

  Lösung

  Die Interferenzen bei Hertz'schen Wellen lassen sich mit denen bei Licht vergleichen. Auch dort kommt es bei Überlagerung zu Verstärkung, Abschwächung oder sogar zur Auslöschung.

  Wenn die Wellen genau in Phase sind, kommt es zu maximaler Verstärkung. Das wird auch konstruktive Interferenz genannt. Bei der Interferenz von Licht sind dies die hellen Streifen, die auf dem Schirm sichtbar werden.

  Wenn die Wellen genau in Gegenphase, also um eine halbe Wellenlänge zueinander verschoben sind, dann kommt es zur Auslöschung. Dies wird auch destruktive Interferenz genannt. Bei der Interferenz von Licht wären dies die dunklen Streifen.

  Interferenz von Hertz'schen Wellen begegnen dir zum Beispiel, wenn die Lautstärke des Radios manchmal plötzlich schwankt.

• Erkläre, welchen Effekt die Ionosphäre auf den Funkverkehr hat.

  Tipps

  In der Hochatmosphäre unseres Planeten befindet sich eine elektrisch leitfähige Schicht. Diese wird Ionosphäre genannt.

  Hertz'sche Wellen werden an Wänden aus elektrisch leitfähigem Material reflektiert. Könnte das bei einer Luftschicht genauso sein?

  Mithilfe der Ionosphäre können bestimmte elektromagnetische Wellen um die ganze Erde geleitet werden.

  Lösung

  In unserer Atmosphäre existiert eine elektrisch leitfähige Schicht. Diese wird auch Ionosphäre genannt.
  Diese beginnt ab einer Höhe von ungefähr $80 ~ km$ und macht einen Großteil der Hochatmosphäre aus.

  Elektromagnetische Wellen einiger Frequenzbereiche werden an dieser reflektiert.
  Dazu gehören vor allem die Kurzwellen, welche sich in einem Wellenlängenbereich zwischen $100 ~m$ und $10 ~m$ bewegen. Der dazugehörige Frequenzbereich ist $3 ~MHz$ bis $30 ~ MHz$.

  So ist es möglich, diese Wellen zur Ionosphäre zu lenken und von da aus zu einem weit entfernten Punkt auf der Erde. So kann Funk auch an weit entfernten Orten empfangen werden.

  Solche Wellen können sich in Form von Raumwellen auch um die ganze Erde bewegen: Es ist möglich, dass sie mehrmals an Ionosphäre und Erdoberfläche reflektiert werden.

  Aufgrund der Erdkrümmung und Störungsanfälligkeit ist dies in Form von Bodenwellen nicht möglich.

• Erkläre, warum Satellitenschüsseln ausgerichtet werden müssen.

  Tipps

  Wer in seinem Haushalt Fernsehen über eine Satellitenschüssel empfängt, der muss diese nach dem Anbauen ausrichten. Ansonsten wird nur ein schlechtes oder gar kein Bild empfangen.

  Die Satellitenschüssel wird in Richtung eines Satelliten ausgerichtet, der viele der gewünschten Sender überträgt. Von diesem werden die Hertz'schen Wellen ausgesendet. Wie bewegen sich Hertz'sche Wellen vorwärts?

  Was kannst du beobachten, wenn du einen Stein von oben ins ruhige Wasser fallen lässt? Wie breitet sich die Welle aus? So breitet sich auch jede andere Welle aus.

  Lösung

  Es breitet sich grundsätzlich jede Welle geradlinig aus.

  Das kannst du auch selber beobachten:
  Lass einen Stein ins ruhige Wasser fallen. Du siehst dann Wellen, die sich kreisförmig und in alle Richtung ausbreiten. Genauer breiten sie sich geradlinig in alle Richtungen aus.
  Wenn du dagegen mit einem geraden Stock oder Brett direkt eine gerade Wellenfront erzeugst, dann siehst du die geradlinige Ausbreitungsrichtung noch deutlicher.

  Dasselbe passiert bei einem Satelliten. Dieser sendet ein Signal in Form von Hertz'schen Wellen. Diese breiten sich ausgehend vom Satelliten im Raum aus.
  Die Satellitenschüssel, also der Empfänger, muss dann in Richtung des Satelliten ausgerichtet werden, damit das Signal möglichst direkt in die Schüssel trifft. Je direkter das Signal eintrifft, desto besser wird auch das Bild.
  Am Fernseher kannst du dir häufig anzeigen lassen, wie gut der Empfang ist.

  Probier es doch mal aus, falls eurer Fernseher über Satellitenempfang läuft. Lass dir von deinen Eltern zeigen, wo eure Satellitenschüssel angebracht und wie sie ausgerichtet ist.

• Erkläre, warum an manchen Orten kein Empfang ist.

  Tipps

  Wenn du ein Radio in einen Würfel aus Metallgitter stellst, dann empfängt das Radio keinen Sender mehr klar. Je kleiner die Lücken im Gitter sind, desto weniger wird empfangen. Woran liegt das?

  Es handelt sich bei dem Würfel aus Metall um einen Faraday'schen Käfig. Dieser schirmt aufgrund von Influenz elektrische Felder ab. Bei elektromagnetischen Wellen ist die Wellenlänge wichtig. Was passiert, wenn die Lücken im Gitter größer sind als die Wellenlänge?

  Auch ein Fahrstuhl oder Raum aus Stahlbeton ist ein Faraday'scher Käfig. Sind diese Räume in der Realität luftdicht verschlossen?

  Lösung

  Geschlossene Räume aus leitenden Materialien sind Faraday'sche Käfige.
  Aufgrund von Influenz ist das Innere eines solchen Käfigs feldfrei. Das heißt, elektrische Felder werden abgeschirmt.
  Ein Auto ist ein Faraday'scher Käfig. Deswegen bist du im Auto vor Blitzen völlig sicher. Doch telefonieren kannst du trotzdem. Das liegt zum einen an der angebrachten Antenne, zum anderen daran, dass das Auto auch nicht leitende Teile hat:
  Zum Beispiel die Fenster.

  Faraday'sche Käfige sind in der Realität meistens undicht. Auch ein Fahrstuhl oder ein Raum aus Stahlbeton hat Lücken, durch die Luft dringen kann. Oder sogar Türen oder Fenster, die nicht aus leitendem Material sind.

  Bei elektromagnetischen Wellen kommt es auf die Wellenlänge an. Sind die Lücken im leitenden Material größer als die Wellenlänge, dann kann die Welle eindringen und sich durch Beugung im Raum ausbreiten.

  Darum hast du in solchen Räumen häufig zwar Empfang, aber nur sehr schlechten.