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Hertz'sche Wellen

Hertz'sche Wellen, im elektromagnetischen Spektrum, ihre Erzeugung durch Schwingkreise, ihre Ausbreitungseigenschaften und ihre Anwendung in der Informationstechnik

Einleitung

Im Jahre 1886 entdeckte Heinrich Hertz an der Universität Karlsruhe, dem heutigen Karlsruher Institut für Technologie, die elektromagnetischen Wellen und bestätigte damit Maxwells' Vorhersage. Über 100 Jahre später sind elektromagnetische Wellen von großer Bedeutung und finden sich in nahezu jedem Bereich des alltäglichen Lebens: Mikrowellen, Röntgenstrahlen, das WLAN oder gar Licht sind physikalisch gesehen alle von der selben Natur: Es handelt sich bei allen Beispielen um elektromagnetische Wellen. Der Unterschied liegt allein in der Frequenz bzw. Wellenlänge der Wellen. Je größer die Frequenz desto mehr Energie transportiert die Welle. Daher sind Röntgenstrahlen gefährlicher als Mobilfunksignale. Es macht daher Sinn, das elektromagnetische Spektrum nach Frequenzen zu unterteilen.

Das elektromagnetische Spektrum

Die Frequenz entspricht der Anzahl der Schwingungen, die eine Welle pro Zeiteinheit durchführt. Die Einheit ist Hertz ($\text{Hz}$), benannt nach Heinrich Hertz. Ein Hertz entspricht einer Schwingung pro Sekunde.

$[f]=\dfrac1{\text{s}}=1\,\text{Hz}$

Das elektromagnetische Spektrum beginnt mit Frequenzen von wenigen Kilohertz (kHz) und endet bei Frequenzen von über einer Billionen Gigahertz ($10^{21}\,\text{Hz}$), die von Höhen- und Gammastrahlung erreicht wird. Röntgenstrahlung liegt in der Größenordnung von einer Milliarde Gigahertz ($10^{18}\,\text{Hz}$).

EM-Spektrum.jpg

Über den Zusammenhang

$c=\lambda f$

lässt sich die entsprechende Wellenlänge berechnen. Diese reicht von über 1000 Kilometern bis hin zu wenigen Femtometern ($\text{fm}$). Sichtbares Licht liegt beispielsweise im Bereich von 400 - 700 Nanometern ($\text{nm}$).

Farbspektrum.jpg

Als Hertz'sche Wellen wird der Bereich des elektromagnetischen Spektrums definiert, der zwischen $1\,\text{cm}$ und $10\,\text{km}$ Wellenlänge liegt. Die entspricht Frequenzen zwischen $30\,\text{kHz}$ und $30\,\text{GHz}$. Hertz'sche Wellen werden vor Allem zur Informationsübertragung (Radio, Fernsehen), Kommunikation (Mobilfunknetz), Ortung (Radar, GPS) und im Falle der Mikrowelle auch zum Erwärmen genutzt.

Erzeugung der elektromagnetischen Wellen

Du weißt bereits, was ein elektromagnetischer Schwingkreis ist, wie er aufgebaut ist und wie seine Eigenfrequenz von den Eigenschaften seiner Bauteile abhängt. Ein elektromagnetischer Schwingkreis erzeugt ständig magnetische und elektrische Felder, die in den Raum abgestrahlt werden. Schwingkreise strahlen also elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz ab, die der Frequenz des Schwingkreises entspricht. Diese berechnet sich zu

$\omega = \dfrac1{\sqrt{LC}}$ .

Um derart hohe Frequenzen wie oben beschrieben zu erreichen, muss die Induktivität $L$ und Kapazität $C$ möglichst klein sein. Daher wird der Schwingkreis geöffnet und die Windungen der Spule sowie die Kondensatorplatten entfernt. Dieser modifizierte Schwingkreis entspricht nun einer Antenne, in der schwingende Elektronen sich ändernde elektrische und magnetische Felder erzeugen. Die abgestrahlten elektrischen und magnetischen Felder stehen senkrecht aufeinander.

Antenne.jpg

Eine Antenne dient nicht nur als Sender sondern auch als Empfänger elektromagnetischer Wellen und befindet sich in dieser Funktion zum Beispiel in jedem Radio.

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen breiten sich stets mit Lichtgeschwindigkeit $c$ und geradlinig aus. Satellitenschüsseln müssen daher immer in Richtung des Satelliten ausgerichtet sein. Bei ihrer Ausbreitung beeinflussen sie sich nicht gegenseitig und durchqueren einander ungehindert. So ist es möglich, dass WLAN, Radio und Telefonieren gleichzeitig funktioniert. Wellen können wie Licht gebrochen oder gebeugt werden, wenn sie auf Hindernisse treffen. Dabei ändern sie ihre Richtung und machen es so möglich, dass auch im Funkschatten hinter einem Hügel Handyempfang ist. Im Aufzug hast du hingegen nur selten Handyempfang, da elektromagnetische Wellen von leitenden Materialien wie Metall reflektiert werden.

Die Reflexion von Wellen an metallischen Gegenständen macht man sich beim Radar zu nutze. Ein Sender strahlt Wellen in den Himmel ab. Befindet sich beispielsweise ein Flugzeug in der Nähe, so werden die Wellen zum Sender zurück reflektiert und anhand der dazu benötigten Zeit kann die Entfernung des Flugzeugs berechnet werden.

Informationsübertragung durch Modulation

Radio.jpg

Hertz'sche Wellen werden nicht nur zur Ortung eingesetzt, sondern auch bei der Datenübertragung durch WLAN, Funk, Fernsehen oder Radio. Amplituden- und Frequenzmodulation macht dies möglich. Sprache oder Musik sind akustische Wellen, die sich mittels Mikrofon digitalisieren lassen. Diese Informationen liegen jedoch relativ langwellig vor. Das Senden langwelliger Wellen ist problematisch. Daher „presst“ man die langwellige Information auf ein kurzwelliges Trägersignal. Dabei wird die Frequenz oder Amplitude des Trägersignals moduliert. Ein Empfangsgerät wie ein Radio ist dann in der Lage, die Information von der Trägerwelle zu trennen (Demodulation).