Hertzscher Dipol

E-Wellen: Eine revolutionäre Entdeckung

Zahlreiche physikalische Entdeckungen haben die Moderne revolutioniert. Die elektromagnetischen Wellen gehören ganz sicher in diese Kategorie bahnbrechender Entdeckungen der Physik. Dadurch wurde die drahtlose Übertragung von Nachrichten über sehr große Entfernungen möglich.

Es war J. C. Maxwell, der die Existenz von elektromagnetischen Wellen aus den Grundgleichungen der Elektrodynamik (Maxwell-Gleichungen) vorhergesagt hat. Schließlich hat H. Hertz die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen durch einen Dipol nachgewiesen.

Da wir die Natur mechanischer Wellen bereits kennen, können wir diese Grundlagen nutzen und uns so dem Phänomen elektromagnetischer Wellen annähern.

Durch Betrachtung des elektromagnetischen Schwingkreises sieht man, dass die im Schwingkreis entstehenden magnetischen und elektrischen Felder zeitlich oszillieren. Doch dabei sind diese Wechselfelder auf Spule und Kondensator im Schwingkreis beschränkt. Um elektromagnetische Signale in den Raum zu übertragen, benötigt man eine elektromagnetische Welle. Denn nach unserem Grundlagenwissen breiten sich gerade Wellen und somit auch elektromagnetische Wellen kontinuierlich im Raum aus.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen bildet der Hertzsche Dipol. Wir werden sehen, dass sich der Hertzsche Dipol als offener Schwingkreis interpretieren lässt.

Modell - offener Schwingkreis

Die Entstehung eines offenen Schwingkreises kann man sich schematisch als Deformation eines geschlossenen Schwingkreises vorstellen.

Entstehung des offenen Schwingkreises/Hertzschen Dipols

Die Zeichnung zeigt, wie man sich die Entstehung eines offenen Schwingkreises vorstellen kann. Dabei werden die Kondensatorplatten auseinandergezogen. Die Fläche der Kondensatorplatten sowie die Windungszahl der Spule werden reduziert.

Am Ende dieser Deformation erhält man einen geraden Draht. Wie man sieht, ragt das elektrische Feld (blau eingezeichnet) nun weit in den Raum hinaus. Auch das magnetische Feld der Spule breitet sich in dem umgebenden Raum aus.

Was passiert nun mit der Frequenz bzw. Eigenfrequenz $f$ des bekannten Schwingkreises?

Die Thomson-Formel lautet ja

$f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$.

Wir wissen, dass die Kapazität $C$ proportional zur Kondensatorfläche $A$ ist ($C\sim A$). Die Induktivität $L$ der Spule erfüllt die Proportionalität $L\sim N^2A$, worin $N$ die Windungszahl bezeichnet. Die Deformation zum Hertzschen Dipol bewirkt, dass sowohl $C$ als auch $L$ sehr klein werden. Umgekehrt bedeutet dies, dass die Frequenz $f$ sehr hoch wird. Wir erhalten eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung innerhalb des oben gezeichneten Metallstabs.

Definition Hertzscher Dipol

In der Realität ist es natürlich so, dass die elektromagnetische Schwingung durch Energieverlust nach einer gewissen Zeit aufhören würde. Deshalb muss dem System Energie zugeführt werden. Dies kann dadurch geschehen, dass man neben den Dipol einen ungedämpften Schwingkreis der gleichen Eigenfrequenz aufstellt. Er dient als Rückkopplung, um die Schwingung aufrecht zu erhalten.