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Schwingungen: Erste Versuche mit Schwingungen

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Papers » Basic principles of radio technique » Schwingungen: Erste Versuche mit Schwingungen
           
Ernst Erb
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23.Apr.03 22:33

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Schwingungen bedeuten eine regelmässige Bewegung, die sich innerhalb bestimmter Grenzen hin und her vollzieht. Wir beobachten Schwingungen beim Pendel, bei Saiten etc., spüren sie als Vibrationen und können Schwingungen als Schall wahrnehmen. Wir sehen sie z.B. als Licht, das eine Form der elektromagnetischen Wellen (Schwingungen) darstellt.

Versuche mit dem Federpendel
Wir nehmen eine Feder, an der ein Gewicht hängt, ziehen daran ein wenig nach unten und lassen los. Das Federpendel vollführt senkrechte, mit der Zeit abnehmende Schwingungen. Befestigen wir am Gewicht eine Schreibvorrichtung und ziehen waagrecht einen breiten Papierstreifen mit konstanter Geschwindigkeit vorbei, zeichnen sich Wellen auf, die in der Schwingungsdauer konstant sind. Ihre Amplitude (Wellenhöhe) nimmt jedoch ab. Das Federpendel führt durch die Reibung an der Luft und in sich selbst gedämpfte Schwingungen aus.

Der Pendel einer laufenden Uhr erhält immer wieder ein wenig Energie zur Kompensation der Dämpfung. Dieses Pendel führt ungedämpfte Schwingungen aus. Die Zuführung der Energie hat im richtigen Augenblick und im richtigen Sinne zu erfolgen (vgl. Schiffschaukel).
Ist das Uhrenpendel oben angelangt, hat es Schwerkraft (Energie der Lage) gespeichert. Es steht für einen Moment still, um in die Gegenrichtung zu fallen. Schwingt es durch die Senkrechte, hat es keine Energie der Lage mehr, sondern besitzt die maximale kinetische Energie - "die grösste Fahrt". Beim Schwingen erfolgt eine laufende Umwandlung von Energie zwischen diesen beiden Formen.

Beim Federpendel ist diese Umwandlung ein örtlicher Wechsel zwischen Feder und Masse. Den Vorgang, in dem das Federpendel von der höchsten zur Nullage auf die tiefste und wieder zurück zur höchsten Lage schwingt, nennt man Periode; die Zeitspanne für diesen Weg Periodendauer. Frequenz bedeutet die Anzahl von Perioden pro Sekunde. Die Einheit der Frequenz misst man in Hertz (Hz). 1000 Hz bilden ein Kilohertz (kHz), 1000 kHz ein Megahertz (MHz) etc. Die Differenz zwischen der höchsten und der tiefsten Lage heisst auch hier wieder Amplitude.
Werfen wir einen Stein ins Wasser, entsteht eine kurz dauernde Anhäufung von Schwingungen (Wellen), die sich in Form von immer grösser werdenden Kreisen vom Erregerzentrum wegbewegen. Bei der Ausbreitung von Wellen bleiben die einzelnen Wassermoleküle quasi am Ort; sie führen lediglich kreisförmige Bewegungen aus. Ein Korken tanzt ohne Weiterbewegung auf der Stelle.

Versuche mit elektrischem Strom
Bevor wir uns mit elektromagnetischen Schwingungen befassen, stellen wir uns die Gegebenheiten beim elektrischen Strom plastisch vor.

Im Innern eines Leiters kommen viele freie, nicht an Atome gebundene Elektronen vor. Sie bewegen sich unter dem Einfluss der Wärme willkürlich hin und her. Wenn wir eine Spannung (ein Potential) an den Leiter anlegen, wirkt eine Anziehungskraft auf die Elektronen; die Bewegung erfolgt dann vornehmlich in eine Richtung. Die angelegte Spannung können wir uns so vorstellen, dass ein elektrisches Element (Batterie, Akkumulator) einzelne Elektronen wegsaugt. Die Elektronen haben die Tendenz, alles auszugleichen und nehmen die fehlenden Plätze sofort wieder ein, indem sie nachrücken. Dieses Nachrücken pflanzt sich in unserem gedachten Leiter nach rückwärts mit fast der Lichtgeschwindigkeit von 299792,5 km pro Sekunde fort. Die Lichtgeschwindigkeit ist nur im Vakuum zu erreichen; die Geschwindigkeit im Leiter beträgt etwa 95 % davon. Am anderen Ende des Leiters sollen Elektronen nachfolgen können; andernfalls würde kein Strom fliessen, da der Nachschub fehlt. Ein Stromkreis muss durch einen Leiter geschlossen und ein Potential vorhanden sein, damit Energie fliesst.

Dem Spiel des Nachfliessens von Elektronen setzt der Leiter selbst einen Widerstand entgegen. Ein dünnerer oder schlechterer Leiter, etwa Eisen statt Kupfer, setzt dem Strom höheren Widerstand entgegen. Die "Elektronensaugvorrichtung" hätte einen grösseren Unterdruck zu erzeugen, um gleichviel Strom fliessen zu lassen, was sich Erhöhung der Spannung nennt. Je nach angelegter Spannung lässt unser Leiter mit seinem Widerstand einen grösseren oder kleineren Strom von Elektronen fliessen. Diesen messen wir in Ampere. Mit der Formel Spannung x Strom ist die Gesamtleistung in Watt bezeichnet. Diese Leistung fällt als Wärme an. Den Widerstand (R), den eine Anordnung dem Elektronenstrom entgegensetzt, misst man in Ohm (Û).
Beim Fliessen erzeugen die Elektronen auch magnetische Kräfte. Wir stellen diese mit Feldlinien dar. Zeigen können wir sie mit Hilfe eines Kartons, durch den wir senkrecht einen Draht stossen. Auf den Karton streuen wir Eisenfeilspäne. Die Späne richten sich kreisförmig um den Draht aus, sobald wir durch ihn einen Strom schicken.

Ein Leiter, der immer im gleichen Umdrehungssinn zu einer Spule gewickelt ist, konzentriert die magnetischen Feldlinien und sie zeigen sich verstärkt. Zur Konzentrierung der Feldlinien dienen Materialien, die Eisen, Nickel oder Kobalt enthalten. Diese Anordnung stellt einen Elektromagneten dar.

Der Auf- oder Abbau eines magnetischen Feldes induziert in einem benachbarten Leiter wiederum einen Strom. Sind zwei Spulen nebeneinander oder ineinander angeordnet, übertragen (induzieren) sie Wechselströme, jedoch keine Gleichströme. Beim Ein- oder Ausschalten einer Gleichspannung erfolgt dagegen ein Induktionsstoss, da sich das Feld dann für kurze Zeit ändert! Eine solche Zusammenstellung von Spulen heisst Übertrager oder Transformator. Bei niedrigen Frequenzen konzentriert man die Feldlinien durch eisenhaltige Materialien oder Transformatorenbleche, um die Koppelverluste gering zu halten. Mittels unterschiedlicher Anzahl (für Spannungen) und Dicke (für Ströme) der Windungen sowie verschiedenen Kernen (Schnitte, Materialien) lassen sich Transformatoren für jeden Verwendungszweck dimensionieren.

Auch die elektrische Komponente können wir im Experiment zeigen, indem wir in ein Glasgefäss mit Rizinusöl und Griesskörnern zwei Leiter als Platten (Elektroden) eintauchen und an diese eine hohe Gleichspannung legen: Es fliesst kein Strom, weil das Öl isoliert. Dennoch richten sich die Griesskörner sofort in geraden Linien zwischen den beiden Elektroden aus. Haben die Platten eine ausreichend grosse Fläche, halten sie die Körner in Linie, selbst wenn wir schütteln. Dieser Zustand hält solange an, bis die elektrische Ladung abfliessen kann. Ein aufgeladener - von der Spannungsquelle getrennter - Kondensator (Erklärungen folgen) kann einem Menschen einen Stromstoss versetzen. Der Kondensator wirkt als elektrischer Ladungsspeicher [142].

Zurück zum Thema Schwingungen:
Nachdem wir mehr über Strom wissen, gehen wir zurück zum Federpendel, um es mit einer schwingfähigen elektrischen Anordnung zu vergleichen. Das Pendel schwingt mit einer Frequenz, die von der Grösse der Masse und der Federkonstante abhängt. Die Bewegungen in der Amplitude (Auslenkweg) nehmen auf Grund mechanischer Verluste und Luftreibung stetig ab.
Diese Resonanzfrequenz demonstrieren wir, indem wir das Federpendel an einem Faden aufhängen. Den Faden bewegen wir mit einem Exzenter oder von Hand rhythmisch auf und ab. Wenn der Rhythmus mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, erhalten wir mit kleinen Bewegungen eine grosse Amplitude. Ist unser Rhythmus zu schnell oder zu langsam, schwingt das Federpendel trotz grossem Aufwand nur schwach; die Amplitude bleibt klein. Wir könnten auch Gewicht oder Federkraft des Pendels ändern, um es bei einem bestimmten Rhythmus weit ausschlagen zu lassen.

Dies ist ein Ausschnitt aus dem Buch «Radios von gestern» aus dem Kapitel «Technik leichtgemacht», Abschnitt über Schwingungen. Kommentare zum Buch sind bei www.amazon.de ersichtlich, wo man das Buch auch kaufen kann. Schneller geht es direkt über HEROLD-Oberhaching[A*T]t-online.de - die Firma liefert am nächsten Tag gegen Rechnung.

This article was edited 21.Mar.04 16:00 by Ernst Erb .

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