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Elektromagnetische Schwingungen

Schwingung ist eine periodische Änderung einer oder mehrerer physikalischer Größen um einen bestimmten Durchschnittswert. Wenn die physikalischen Größen, die sich periodisch ändern, die Feldstärke eines elektrischen Feldes und eines Magnetfelds sind, dann sprechen wir von elektromagnetischer Schwingung. Da ein elektrisches Feld, das sich mit der Zeit ändert, immer ein Magnetfeld erzeugt, das sich ebenso mit der Zeit ändert, gibt es grundsätzlich keine Schwingungen, bei denen sich nur ein elektrisches Feld oder nur ein Magnetfeld periodisch ändert. Grundsätzlich werden elektrische und magnetische Energie in einem Schwingkreis zeitlich periodisch ineinander umgewandelt.

Ein solcher Schwingkreis kommt zustande, wenn beispielsweise eine elektrische Schaltung aus einer Spule und einem Kondensator besteht. Die Energie aus dem magnetischen Feld der Spule tauscht sich mit dem elektrischen Feld des Kondensators periodisch aus.

Diese Schwingkreise werden in der Physik in ideale, gedämpfte und angeregte Schwingkreise unterteilt.

Der ideale Schwingkreis

Eine Spannungsquelle ist an einen Kondensator angeschlossen. Der Kondensator wiederum ist mit einer Spule verbunden. Zwischen Spannungsquelle und Kondensator befindet sich ein Schalter wie auch zwischen Kondensator und Spule. Zunächst ist der Schalter zwischen Kondensator und Spule auf „Aus“. Der Schalter von Spannungsquelle und Kondensator auf „Ein“. Nun lädt die Spannungsquelle den Kondensator. Ist die Ladung abgeschlossen, wird die Spannungsquelle abgeschaltet und die Spule dem Kondensator zugeschaltet. Nun bilden Spule und Kondensator einen Stromkreis.

Durch die Entladung des Kondensators hin zur Spule entsteht bei dieser ein Magnetfeld, das zunehmend stärker wird, während das elektrische Feld des Kondensators immer schwächer wird. Aufgrund ihrer Eigeninduktivität sendet die Spule nun wieder einen Strom zum Kondensator und lädt diesen wiederum auf. Es entsteht ein idealer Schwingkreis, bei dem sich Plus und Minus periodisch vertauschen und in der Theorie dieses Spiel ewig fortsetzen.

Der reale Schwingkreis

Was beim idealen Schwingkreis nicht berücksichtigt wurde, das ist der Widerstand. Jede Schaltung beinhaltet einen Widerstand, wodurch sich die Schwingung des Stromkreises dämpft. Es treten also bei jedem Durchfluss des Stromes durch die Schaltung Energieverluste auf. Irgendwann führt dies zur völligen Entladung oder besser zu Gleichgewichtszustand von Spule und Kondensator, wenn nicht über die Spannungsquelle neue Energie zugeführt wird. Darum kann es auch niemals ein Perpetuum mobile geben. Auch beim Schwingkreis ist der Energieaustrag, zwischen Spule und Kondensator und umgekehrt, immer kleiner als der Energieeintrag. Die einzige Form, einen idealen Schwingkreis zu realisieren, wäre mithilfe von supraleitenden Schaltungen (Tiefsttemperaturschaltungen), die keinen ohmschen Widerstand besitzen.

Der angeregte Schwingkreis

Unter einem angeregten Schwingkreis in Bezug auf elektromagnetische Schwingungen sind unterschiedliche Zustände zu verstehen. Grundsätzlich bedeutet ein angeregter Schwingkreis, dass eine periodische oder unperiodische Energiezufuhr stattfindet. Je nach Stärke und Dauer dieser Energiezufuhr kann sich das Schwingungsverhalten bezüglich der magnetischen und elektrischen Feldstärken wie auch der Frequenzen verändern. Angeregte Schwingkreise werden in freie Schwingungen, erzwungene Schwingungen und selbsterregte Schwingungen unterteilt.

Oszilloskop

Für die Messung elektromagnetischer Schwingungen wird ein Oszilloskop verwendet. Die Bezeichnung Oszilloskop leitet sich vom lateinischen „oscillare“ für schaukeln ab. Mit dessen Hilfe können die Schwingungen elektrischer wie magnetischer Felder als Graphen dargestellt werden. Mittels eines Oszilloskops können beispielsweise in verschiedenen Schaltkreisen Störsignale oder Störschwingungen bei den Frequenzen festgestellt werden.

Quizfragen zum Thema

1. Was ist das sogenannte Zeigermodell in der Schwingungslehre?

   Im Zeigermodell werden periodische Vorgänge als rotierende Zeiger dargestellt. Der Koordinatenursprung ist zugleich der Mittelpunkt der Kreisbahn, die der Zeiger beschreibt. Über eine Winkelfunktion und durch eine konstante Winkelgeschwindigkeit kann eine harmonische Schwingung dargestellt werden.

2. Was ist eine harmonische Schwingung?

   In Bereich des Elektromagnetismus zeichnet sich eine harmonische Schwingung dadurch aus, das die Sinuskurven des magnetischen wie des elektrischen Feldes proportional zueinander verlaufen und sich Veränderungen des einen linear auf das andere auswirkt.

3. Stelle die Gleichung zur Schwingungsdauer eines elektromagnetischen Schwingkreises mit einer Induktivität von 70H auf.

   T = 2× π × √ L×C → C = T2/(2× π²×L) × C = → 0,222 /(4× π²×70) × F ≈ 18μF

4. Was ist unter der Fourier-Analyse zu verstehen?

   In der Fourier-Analyse, benannt nach dem französischen Mathematiker Jean Baptiste Joseph Fourier, werden zeitliche Signale in Frequenzanteile zerlegt, die es wiederum ermöglichen, aus Ihnen Signale zu rekonstruieren.

5. Was ist der Unterschied zwischen Schwingung und Vibration?

   Der Begriff Vibration bezeichnet die Schwingungen, die von einem Objekt ausgehen, die mit menschlichen Sinnen erfassbar sind.

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