1 00:00:00,950 --> 00:00:02,100 - [Dozent] In der modernen Welt 2 00:00:02,100 --> 00:00:03,840 sind wir Menschen vollständig 3 00:00:03,840 --> 00:00:06,300 von elektromagnetischer Strahlung umgeben. 4 00:00:06,300 --> 00:00:08,040 Haben Sie jemals über die Physik hinter 5 00:00:08,039 --> 00:00:10,382 diesen wandernden elektromagnetischen Wellen nachgedacht? 6 00:00:11,240 --> 00:00:13,480 Der große Wissenschaftler Heinrich Hertz 7 00:00:13,480 --> 00:00:14,860 war der erste Mensch, der 8 00:00:14,860 --> 00:00:17,400 elektromagnetische Wellen sendete und aufspürte. 9 00:00:17,400 --> 00:00:18,830 In seinem berühmten Experiment 10 00:00:18,830 --> 00:00:21,290 wurde ein Hochspannungsstrom an die beiden Enden 11 00:00:21,290 --> 00:00:24,180 zweier Metalldrähte angelegt, der 12 00:00:24,180 --> 00:00:25,670 im Spalt zwischen ihnen einen Funken erzeugte. 13 00:00:25,670 --> 00:00:27,380 Dieser Funke führte zur Ausstrahlung 14 00:00:27,380 --> 00:00:29,480 elektromagnetischer Wellen. 15 00:00:29,480 --> 00:00:32,290 Diese elektromagnetischen Wellen breiteten sich durch die Luft aus 16 00:00:32,290 --> 00:00:34,510 und erzeugten einen Funken in einer 17 00:00:34,510 --> 00:00:36,920 über einen Meter entfernten Metallspule. 18 00:00:36,920 --> 00:00:39,230 Hätte man in dieser Lücke eine LED platziert, 19 00:00:39,230 --> 00:00:41,120 hätte die Glühbirne geleuchtet. 20 00:00:41,120 --> 00:00:44,370 Dies war ein klarer Fall der Ausbreitung 21 00:00:44,370 --> 00:00:45,323 und Erkennung elektromagnetischer Wellen. 22 00:00:46,210 --> 00:00:48,880 Allerdings hatte bereits vor Hertz der brillante Mathematiker 23 00:00:48,880 --> 00:00:51,290 James Clerk Maxwell 24 00:00:51,290 --> 00:00:53,900 die Grundlagen für elektromagnetische Strahlung gelegt, 25 00:00:53,900 --> 00:00:56,463 indem er mathematische Gleichungen formulierte. 26 00:00:59,130 --> 00:01:01,990 Diese Gleichungen und das Hertz-Experiment 27 00:01:01,990 --> 00:01:03,020 warfen jedoch die Frage auf: 28 00:01:03,020 --> 00:01:05,850 Wie lösen sich elektromagnetische Felder 29 00:01:05,850 --> 00:01:08,310 von Drähten und breiten sich durch einen Raum aus? 30 00:01:08,310 --> 00:01:10,130 Genauer gesagt brauchen wir 31 00:01:10,130 --> 00:01:12,490 eine sich bewegende elektromagnetische Welle 32 00:01:12,490 --> 00:01:14,610 und keine schwankende. 33 00:01:14,610 --> 00:01:16,133 Lassen Sie uns dies logisch untersuchen. 34 00:01:18,770 --> 00:01:20,510 Stellen Sie sich eine elektrische Ladung vor, 35 00:01:20,510 --> 00:01:22,780 die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. 36 00:01:22,780 --> 00:01:25,240 Das elektrische Feld um ihn herum wird angezeigt. Stellen Sie sich 37 00:01:25,240 --> 00:01:28,720 nun vor, dass es für den Bruchteil einer Sekunde beschleunigt und 38 00:01:28,720 --> 00:01:31,480 anschließend seine gleichmäßige Bewegung 39 00:01:31,480 --> 00:01:33,310 mit höherer Geschwindigkeit fortsetzt. 40 00:01:33,310 --> 00:01:34,640 Was wir verstehen müssen, 41 00:01:34,640 --> 00:01:37,683 ist die Auswirkung dieser Beschleunigung auf das elektrische Feld. 42 00:01:38,950 --> 00:01:41,070 Das Interessante daran ist, dass sich die Informationen 43 00:01:41,070 --> 00:01:43,350 nicht mit unendlicher Geschwindigkeit, 44 00:01:43,350 --> 00:01:45,763 sondern mit Lichtgeschwindigkeit verbreiten. 45 00:01:48,760 --> 00:01:51,510 Ebenso werden die Informationen über die plötzliche 46 00:01:51,510 --> 00:01:54,060 Geschwindigkeitsänderung der Ladung nicht 47 00:01:54,060 --> 00:01:55,913 auf den gesamten Bereich des elektrischen Feldes übertragen. 48 00:01:57,060 --> 00:01:58,830 Das Feld in der Nähe weiß davon, 49 00:01:58,830 --> 00:02:01,180 aber das Feld in der Ferne weiß noch nicht, 50 00:02:01,180 --> 00:02:02,920 dass die Ladung beschleunigt wurde 51 00:02:02,920 --> 00:02:05,610 und sich immer noch im alten Zustand befindet. 52 00:02:05,610 --> 00:02:07,300 Trennen wir diese Bereiche 53 00:02:07,300 --> 00:02:09,020 mithilfe von zwei Kreisen. 54 00:02:09,020 --> 00:02:11,200 Da das elektrische Feld 55 00:02:11,200 --> 00:02:14,110 das Feld zwischen diesen Abständen nicht unterbrechen kann, muss es einen Übergang geben. 56 00:02:14,110 --> 00:02:17,380 Dieses Übergangsfeld wird als Knick bezeichnet. 57 00:02:17,380 --> 00:02:20,703 Der Knick bewegt sich bzw. strahlt mit Lichtgeschwindigkeit nach außen. 58 00:02:21,750 --> 00:02:24,160 Um die Kink-Animation klar darzustellen, 59 00:02:24,160 --> 00:02:26,513 bewegen wir die Kamera zusammen mit der Ladung. 60 00:02:27,350 --> 00:02:30,210 Man kann hier sagen, dass die Beschleunigung der Ladung 61 00:02:30,210 --> 00:02:32,650 eine elektromagnetische Störung 62 00:02:32,650 --> 00:02:34,653 bzw. elektromagnetische Strahlung verursacht hat. 63 00:02:36,420 --> 00:02:39,070 Basierend auf diesem Verständnis werden wir in der Lage sein, 64 00:02:39,070 --> 00:02:40,590 das wichtigste Experiment 65 00:02:40,590 --> 00:02:42,470 auf dem Gebiet der Antennentechnik, 66 00:02:42,470 --> 00:02:44,470 den oszillierenden elektrischen Dipol, zu verstehen. 67 00:02:44,470 --> 00:02:47,420 Das Interessante an diesem einfachen oszillierenden Dipol 68 00:02:47,420 --> 00:02:50,060 ist, dass er elektromagnetische Strahlung 69 00:02:50,060 --> 00:02:52,720 auf perfekt sinusförmige Weise erzeugt. 70 00:02:52,720 --> 00:02:54,300 Mal sehen, wie es gelingt. 71 00:02:54,300 --> 00:02:56,450 Bevor wir uns mit der Elektromagnetik befassen, 72 00:02:56,450 --> 00:02:58,150 wollen wir verstehen, wie Geschwindigkeit 73 00:02:58,150 --> 00:03:00,970 und Beschleunigung in diesem einfachen Fall variieren. 74 00:03:00,970 --> 00:03:04,460 Es ist klar, dass an beiden Enden die Geschwindigkeiten Null sein sollten 75 00:03:04,460 --> 00:03:07,790 und in der Mitte die Geschwindigkeit maximal sein sollte. 76 00:03:07,790 --> 00:03:11,000 Dies bedeutet, dass es sich um eine kontinuierliche Beschleunigung 77 00:03:11,000 --> 00:03:12,840 und Verzögerung handelt. 78 00:03:12,840 --> 00:03:15,000 Das elektrische Feldmuster ist hier dargestellt, 79 00:03:15,000 --> 00:03:16,940 wenn die Ladegeräte weit voneinander entfernt sind 80 00:03:16,940 --> 00:03:18,980 und die Geschwindigkeit Null ist. 81 00:03:18,980 --> 00:03:21,050 Zum besseren Verständnis 82 00:03:21,050 --> 00:03:23,403 untersuchen wir eine der elektrischen Feldlinien. 83 00:03:24,380 --> 00:03:28,330 Beobachten wir die elektrische Feldlinie bei t mal acht. 84 00:03:28,330 --> 00:03:31,050 Man erkennt, dass die elektrische Feldlinie deformiert ist. 85 00:03:31,050 --> 00:03:33,400 Der Grund für diese Verformung ist einfach. 86 00:03:33,400 --> 00:03:35,050 Dieser Zeitraum ist der Bereich 87 00:03:35,050 --> 00:03:36,910 mit der höchsten Beschleunigung. 88 00:03:36,910 --> 00:03:38,910 Wie wir bereits gesehen haben, 89 00:03:38,910 --> 00:03:42,560 verursachen beschleunigte oder abgebremste Ladungen Knicke im elektrischen Feld. 90 00:03:42,560 --> 00:03:44,380 Kurz gesagt, das alte elektrische Feld 91 00:03:44,380 --> 00:03:47,220 passt sich nicht sehr gut an das neue Feld an. 92 00:03:47,220 --> 00:03:49,150 Diese Verformung ist kontinuierlich, 93 00:03:49,150 --> 00:03:51,803 da die Ladung kontinuierlich beschleunigt wird. 94 00:03:53,290 --> 00:03:55,950 Wenn sich zwei Ladungen im Mittelpunkt treffen, 95 00:03:55,950 --> 00:03:58,190 trifft dort auch die deformierte Linie. 96 00:03:58,190 --> 00:04:01,280 Danach löst es sich und strahlt aus. 97 00:04:01,280 --> 00:04:04,170 Diese Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. 98 00:04:04,170 --> 00:04:07,050 Wenn Sie eine Variation der elektrischen Feldstärke 99 00:04:07,050 --> 00:04:08,440 in Abhängigkeit von der Länge anwenden, 100 00:04:08,440 --> 00:04:10,600 können Sie sehen, dass die von uns erzeugte Strahlung 101 00:04:10,600 --> 00:04:12,980 von Natur aus vollkommen sinusförmig ist. 102 00:04:12,980 --> 00:04:15,220 Bitte beachten Sie, dass dieses variierende elektrische Feld 103 00:04:15,220 --> 00:04:18,040 automatisch ein variierendes Magnetfeld 104 00:04:18,040 --> 00:04:19,193 senkrecht dazu erzeugt. 105 00:04:20,500 --> 00:04:23,700 Schauen wir uns nun an, wie dies auf eine Antenne zutrifft. An den Metalldraht wird 106 00:04:23,700 --> 00:04:27,230 eine zeitlich veränderliche Spannung angelegt. 107 00:04:27,230 --> 00:04:29,020 Aufgrund der Wirkung der Spannung 108 00:04:29,020 --> 00:04:31,490 werden die Elektronen von rechts nach links verschoben 109 00:04:31,490 --> 00:04:34,400 und erzeugen positive und negative Ladungen. 110 00:04:34,400 --> 00:04:36,600 Bei einer kontinuierlichen Spannungsänderung bewegen sich 111 00:04:36,600 --> 00:04:38,360 die positiven und negativen Ladungen 112 00:04:38,360 --> 00:04:40,470 im Draht hin und her. 113 00:04:40,470 --> 00:04:43,363 Die einfache Anordnung wird als Dipolantenne bezeichnet. 114 00:04:44,350 --> 00:04:46,960 Die Dipolantenne erzeugt die gleiche Strahlung 115 00:04:46,960 --> 00:04:49,300 wie im vorherigen Abschnitt. 116 00:04:49,300 --> 00:04:52,470 In diesem Fall fungiert die Antenne als Sender. 117 00:04:52,470 --> 00:04:55,170 Die Frequenz des übertragenen Signals entspricht 118 00:04:55,170 --> 00:04:57,520 der Frequenz des angelegten Spannungssignals. 119 00:04:59,130 --> 00:05:01,400 Dieselbe Antenne kann als Empfänger fungieren, 120 00:05:01,400 --> 00:05:04,400 wenn die Funktion der Antenne umgekehrt wird. 121 00:05:04,400 --> 00:05:07,530 Wenn sich ausbreitende elektromagnetische Wellen auf die Antenne treffen, erzeugen 122 00:05:07,530 --> 00:05:10,150 die oszillierenden Wellenfelder positive 123 00:05:10,150 --> 00:05:12,803 und negative Ladungen an den Enden der Antenne. Durch 124 00:05:13,680 --> 00:05:15,730 die unterschiedliche Ladungsansammlung 125 00:05:15,730 --> 00:05:17,920 wird 126 00:05:17,920 --> 00:05:19,910 in der Mitte der Antenne ein unterschiedliches Spannungssignal erzeugt. 127 00:05:19,910 --> 00:05:22,150 Dieses Spannungssignal wird ausgegeben, 128 00:05:22,150 --> 00:05:24,500 wenn die Antenne als Empfänger fungiert. 129 00:05:24,500 --> 00:05:27,810 Wir können hier feststellen, dass für eine perfekte Übertragung oder einen perfekten Empfang 130 00:05:27,810 --> 00:05:30,640 die Länge der Antenne die Hälfte der Wellenlänge betragen sollte. 131 00:05:30,640 --> 00:05:33,050 Dies ist das erste Antennendesignkriterium 132 00:05:33,050 --> 00:05:35,800 für ordnungsgemäßen Empfang oder Übertragung. 133 00:05:35,800 --> 00:05:38,060 Das zweitwichtigste Designkriterium 134 00:05:38,060 --> 00:05:40,990 ist ein Begriff namens Impedanzanpassung. Durch eine 135 00:05:40,990 --> 00:05:42,340 perfekte Impedanzanpassung 136 00:05:42,340 --> 00:05:44,270 wird sichergestellt, dass die Wellen 137 00:05:44,270 --> 00:05:45,803 auf die effizienteste Weise abgestrahlt werden. 138 00:05:47,050 --> 00:05:49,610 Wenn ein Wechselstrom durch einen Stromkreis fließt, 139 00:05:49,610 --> 00:05:53,040 stößt er auf Widerstand durch die kombinierten Effekte von Widerstand, 140 00:05:53,040 --> 00:05:54,850 Induktivität und Kapazität. 141 00:05:54,850 --> 00:05:57,940 Dieser kombinierte Effekt wird als Impedanz bezeichnet. 142 00:05:57,940 --> 00:06:00,530 Gemäß dem Theorem der maximalen Leistungsübertragung 143 00:06:02,650 --> 00:06:05,550 muss die Lastimpedanz mit der Quellenimpedanz übereinstimmen, um die maximale Leistungsmenge zu übertragen. Nehmen wir 144 00:06:07,460 --> 00:06:08,810 zum besseren Verständnis 145 00:06:08,810 --> 00:06:10,410 ein Beispiel für einen Stromkreis, der 146 00:06:10,410 --> 00:06:12,490 eine Lichtmaschine als Quelle 147 00:06:12,490 --> 00:06:16,010 und eine Motorglühlampe usw. als Last enthält. 148 00:06:16,010 --> 00:06:18,880 Um bei diesem Aufbau eine maximale Leistungsübertragung 149 00:06:18,880 --> 00:06:20,540 vom Generator zur Last zu erreichen, 150 00:06:20,540 --> 00:06:22,549 muss die Impedanz der Last 151 00:06:22,550 --> 00:06:24,400 mit der Impedanz des Generators übereinstimmen. Bei einem Antennensystem 152 00:06:27,390 --> 00:06:29,380 ist ein ähnlicher Impedanzausgleich erforderlich 153 00:06:29,380 --> 00:06:31,570 . 154 00:06:31,570 --> 00:06:34,600 Da eine Antenne mit Hochfrequenzsignalen arbeitet, ist auch 155 00:06:34,600 --> 00:06:36,400 die Impedanz der Übertragungsleitungen 156 00:06:36,400 --> 00:06:38,290 wichtig. 157 00:06:38,290 --> 00:06:40,500 Um die maximale Leistung zu erreichen, 158 00:06:40,500 --> 00:06:42,550 sollte die Impedanz einer Antenne daher auch 159 00:06:42,550 --> 00:06:43,980 an die Impedanz der Quelle 160 00:06:43,980 --> 00:06:46,290 und der Übertragungsleitung angepasst sein. 161 00:06:46,290 --> 00:06:48,360 Wenn die Impedanzen nicht übereinstimmen, würde 162 00:06:48,360 --> 00:06:49,570 ein Teil der Leistung 163 00:06:49,570 --> 00:06:51,640 zur Quelle zurückreflektiert, 164 00:06:51,640 --> 00:06:54,083 anstatt von der Antenne nach außen abzustrahlen. 165 00:06:55,210 --> 00:06:59,600 Ein freier Raum hat einen Impedanzwert von 377 Ohm. 166 00:06:59,600 --> 00:07:02,160 Bei einer Parabolantenne wird als Übertragungsleitung ein Wellenleiter verwendet 167 00:07:02,160 --> 00:07:03,570 , 168 00:07:03,570 --> 00:07:07,080 der einen anderen Impedanzwert als der freie Raum aufweist. Aus diesem Grund 169 00:07:07,080 --> 00:07:09,350 ist in einer Parabolantenne auch ein Feedhorn enthalten 170 00:07:09,350 --> 00:07:11,300 . Auf 171 00:07:11,300 --> 00:07:13,370 diese Weise wird die Impedanz des Wellenleiters 172 00:07:13,370 --> 00:07:16,120 an die Impedanz des freien Raums angepasst, 173 00:07:16,120 --> 00:07:18,963 sodass die EM-Wellen ordnungsgemäß empfangen werden können. 174 00:07:20,720 --> 00:07:21,690 Wir hoffen, dass Ihnen das Konzept 175 00:07:21,690 --> 00:07:23,900 eines so wichtigen technischen Phänomens 176 00:07:23,900 --> 00:07:25,800 anhand dieses Videos klar wird, 177 00:07:25,800 --> 00:07:28,883 und vergessen Sie bitte nicht, uns zu unterstützen, vielen Dank.