Stand: 20.05.2007
0. Voraussetzungen
Fragt man einen erwachsenen Menschen und ein Kind: "Was ist ein Wald?", so bekommt man unterschiedliche Antworten. Beide werden aber mit hoher Sicherheit ziemlich am Anfang sagen: "Da stehen Bäume drin." Könnte eine eine Waldameise darauf antworten, so würde man sicher über die Antwort staunen. Ich möchte versuchen "den Wald" dieses Themas so zu beschreiben, wie es für den normalen Funkamateur und sein Hobby hinreichend genau ist. Weiterführende Information findet man durch Anklicken der im Text unterstrichenen Worte oder Satzteile.
Die Grundlage elektromagnetischer Wellen wird mathematisch mit den Maxwellschen Gleichungen vollständig beschrieben. Deren Interpretaion ist nicht ganz einfach. Vereinfachungen sind hier daher unvermeidlich, um ohne komplexe Mathematik auskommen zu können. An einigen Stellen werden Näherungen oder Faustwerte angegeben, die für den Amateur sinnvoll sind. Wem das alles nun wieder viel zu ungenau ist, der findet bei Wikipedia eine weitere Darstellung der Thematik mit etwas mehr Mathematik, Grafik und weiterführenden Links. Eine schöne animierte Darstellung für einen Hertzschen Dipol findet man hier (qsp de Uwe, DL8UF - tnx).
Ich werde mich bemühen Fehler und/oder zu starke Ungenauigkeiten, Unverständliches oder noch fehlendes in der Darstellung nachträglich zu korrigieren bzw. zu ergänzen, wenn sich eine Notwendigkeit dazu aus der nachfolgenden Diskussion ergibt. Am Ende dieses Textes ist eine Sammlung von typischen Fragen mit möglichst kurzen Antworten angefügt, die laufend ergänzt wird.
Bitte helft mit die Darstellung zu ergänzen, ohne sie dabei unverständlicher zu machen. - tnx 
An physikalischen Grössen benötigen wir die Spannung und das Potential (in V), den Strom (in A), den Widerstand R oder Z (in Ohm), die Leistung P und den Poyntingschen Vektor P (in W), Strecken x, y, z, r (in m), eine Fläche (in m²), die Winkel Phi und Theta, die Zeit (in s) eine magnetische Flußdichte B (in Vs/m²), eine elektrische Verschiebungsdichte D (in As/m²), eine magnetische Feldstärke H (in A/m) und eine magnetische Feldstärke [H] (in V/m). Alle unterstrichenen Einzelbuchstaben kennzeichnen Vektoren. Sie haben im Raum die drei Komponenten x, y und z (karthesische Koordinaten) oder r, Phi und Theta (Kugelkoordinaten). Die Systeme lassen sich ineinander umrechnen. Je nach Anwendungsfall bringt das eine oder andere Koordinatensystem Vorteile. So eignen sich z.B. karthesiche Koordinaten meist wesentlich besser zur Definition von realen Antennen. Die Beschreibung der Wirkung einer Antenne ist aber deutlich anschaulicher, wenn man sie in Kugelkoordinaten macht.
1. Übertragung mittels Felder
Um Energie und durch deren bewußte Modulation Nachrichten übertragen zu können, muss man über ein Feld Kraftwirkungen an einem vom Sendeort verschiedenen Empfangsort auslösen. Was ein Feld tatsächlich ist, weiß man bis heute nicht! Man behilft sich mit der Definition: Ein Feld ist der Zustand eines Raumes. Das hilft aber kaum weiter.
Die z.Z. exotischte Lösung wäre, dazu ein Gravitationsfeld zu verwenden. Es existiert einfach durch die Anwesenheit von Materie. Ändert man den Ort einer Materieansammlung, so ändert man auch das Gravitationsfeld. Es nimmt mit 1/r² ab. Das Problem ist aber, dass es 1) extrem schwierig ist genügend hohe Intensitäten mit genügend hohen Frequenzen zu modulieren (wer kann mal eben einen Planeten mit 1kHz auch nur um 1m hin und her bewegen?) und 2) dass der Empfang von Materiewellen sehr schwierig ist. Diese Methode ist eher was für Science-Fiction.
Eine bessere Lösung ist die Verwendung von magnetischen oder elektrischen Feldern. Dazu muss man sich zunächst überlegen, was ein elektrostatisches- und ein magnetostatisches Feld ist und wie es entsteht.
2. Feldlinien und statische Felder
Elektronen haben eine sog. Elementarladung von etwa 1,602 * 10^-19 As. Per Definition wird die Ladung eines Elektrons willkürlich als negativ festgelegt. Zwischen zwei Elektronen gibt es nur Abstoßungen. Zwischen zwei unterschiedlichen Ansammlungen von Ladungen hat die grössere Menge eine negativere Ladung als die kleinere Menge. Die Elektronen sind aus Gründen der Minimierung ihrer Ruheenergie bestrebt, diesen Unterschied auszugleichen. Dies kann nur durch einen Elektronentransport von der grösseren zur kleineren Menge erfolgen. Achtung: Dies ist keine Anziehung sondern ein Ladungs- oder Potentialausgleich. Der Weg, der dabei durch den zwischen den Ladungen liegenden Raum zurück gelegt werden müsste, kann durch Kraft- oder Feldlinien dargestellt werden. Diese Kraftlinien haben eine Stärke und eine Richtung und sind vom Ort abhängig. Größen, die diese Eigenschaft haben, werden mathematisch als Vektoren beschrieben.
Ist eine Ladung im Zentrum einer Kugel angeordnet, die selbst eine andere Ladung hat, so breiten sich die elektrischen Feldlinien innerhalb der ganzen Kugel völlig gleichmäßig vom Zentrum zur Kugelinnenfläche aus. Die örtliche Feldliniendichte wird als Feldstärke E bezeichnet. Sie nimmt vom Zentrum der Kugel zu ihrer Innenfläche mit 1/r ab, wobei r der Radius der Kugel ist. Sie ist eine gerichtete (vektorielle) Größe, die im Raum aus drei Komponenten besteht.
Eine magnetische Ladung gibt es nicht. Der Magnetismus ist quellenfrei. Magnetostatische Felder werden duch atomare magnetische Dipole oder äquivalent durch gleichstromerregte Elektromagneten erzeugt. Die dabei auftretenden Feldlinien sind immer in sich geschlossen, haben also keinen Anfang und kein Ende. Es ist ebenfalls eine Kraftwirkung vorhanden. Wegen des Dipolcharakters gibt es zwischen verschienden Polen Anziehungs- und zwischen gleichartigen Polen Abstoßungskräfte. Das magnetische Feld breitet sich nicht gleichmäßig im Raum aus. An den Polen ist die Feldliniendichte am grössten. Zwischen den Polen ist sie Null. Das magnetische Feld nimmt in der Ferne ebenfalls mit 1/r ab. In der Nähe der Pole verlaufen die Feldlinien aber nicht gleichmäßig wie beim elektrostatischen Feld. Diese Verzerrungen führen dazu, dass das magnetische Feld auch noch Komponenten der Ordnung 1/r² und 1/r³ enthält. Die magnetische Feldliniendichte ist ein Maß für die magnetische Feldstärke H. Sie ist ebenfalls eine gerichtete (vektorielle) Grösse, die im Raum aus drei Komponenten besteht.
3. Elektrodynamisches Feld
Bewegt sich eine elektrische Ladung gleichförmig, so fliesst ein konstanter elektrischer Strom. Die dabei in einer bestimmten Zeit sich bewegenden Elektronen werden als elektrischer Strom bezeichnet. Das die Ladung umgebende E- und H-Feld sind zueinander orthognal, d.h. sie sind um 90 Grad räumlich gegeneinander versetzt. Diese 90 Grad haben nichts mit einer Phasenverschiebung zu tun, sondern sie zeigen lediglich die Orientierung der Feldebenen zwischen E und H-Feld an. Eine bewegte Ladung umgibt sich also zwangsläufig immer mit einem elektrischen- und magnetischem Feld.
Ändert man die Bewegung einer Ladung, wird sie also beschleunigt oder verzögert, so fliesst ein Wechselstrom und die Änderung überträgt sich auf beide Felder, da sie fest miteinander gekoppelt und voneinander abhängig sind. Die beschleunigte Ladung umgibt dann ein elektromagnetisches Feld.
Den Quotienten E / H nennt man den Wellenwiderstand Z des freien Raums. Er ist eine Naturkonstante und beträgt im Vakuum und mit guter Näherung auch in der Luft 120 * Pi = 377 Ohm. In anderen Medien (Wasser, Öl, etc) hat dieser Wellenwiderstand einen anderen Wert. Die Änderung einer Feldkomponente führt im gleichen Medium zu einer nur von Z abhängigen, proportionalen Änderung der anderen Feldkomponente. Man kann die Stärke von E und H daher nicht unabhängig voneinander einstellen oder erzeugen. Dies ist bei der Betrachtung kurzer Drahtantennen (MicroVert) oder sog. magnetischer Antennen (Mag-Loops, Rahmen- und Ferritantennen) wichtig!
4. Energieübertragung durch elektromagnetische Felder
Wenn man über ein elektromagnetisches Feld eine Energie und durch deren Änderung sogar Information übertragen will, dann müssen für eine maximale Übertragung beide Feldstärken (E und H) am Empfangsort gleichphasig sein. Das Produkt aus E und H nennt man Poyntingschen Vektor. Er ist anschaulich eine Strahlungsdichte, gemessen in W/m². Er nimmt wegen des Produkts P = 1/2 * E * H im Fernfeld mit sehr guter Näherung mit 1/r² ab, weil jedes Feld für sich schon mit 1/r abnimmt.
Im Nahfeld hat der Poyntingsche Vektor (die Strahlungsdichte) wegen des verwirbelten magnetischen Feldes auch Komponenten, die mit 1/r² und 1/r³ abnehmen. Der Poyntingsche Vektor ist im Nahfeld komplex und kann sehr hohe imaginäre Anteile haben, die aber nichts zum Fernfeld beisteuern. Der bei der Bewegung der Ladung zurückgelegte Weg kann so beschaffen sein, dass es auch im Nahfeld Orte gibt, an denen der Poyntingsche Vektor lokal begrenzt reell ist und Energie überträgt. Dieser Spezialfall wird für Wärmeanwendungen (Diathermie) eingesetzt.
5. Polarisation
Da E und H in zueinander orthogonalen Ebenen schwingen, gibt es am Empfangsort nur dann ein Maximum, wenn die aufnehmende Struktur (die Antenne) zum Feld optimal ausgerichtet ist und die maximale Feldstärke aufnehmen kann. Die optimale Richtung zur strahlenden Struktur wird durch die Winkel Phi (Azimut) und Theta (Elevation) am Enpfangsort bestimmt. Die Rotation der Empfangsantenne um die Achse r nennt man Polarisation.
In der Antennentechnik bezieht man sich dabei immer auf die Lage der Schwingungsebene des elektrischen Feldes im Verhältnis zur Umgebung. Schwingt das E-Feld horizontal, so spricht man von einer horizontalen Polarisation des elektromagnetischen Feldes. Schwingt das E-Feld vertikal, so spricht man auch von einer vertikalen Polarisation des elektromagnetischen Feldes.
Sonderformen entstehen, wenn man die Polarisationebene zeitlich verändert. Unter zirkularer Polarisation versteht man eine Rotation der Polarisationsebene mit konstanter Geschwindigkeit, während sich die Welle ausbreitet. Üblich sind Rotationsgeschwindigkeiten, bei denen die sich ausbreitende Welle während eines Umlaufs von 360 Grad eine Strecke von Lambda durchläuft. Es gibt daher sowohl eine rechts- als auch eine links-zirkulare Polarisation. Erzeugt wird sie druch Überlagerung von zwei elektromagnetischen Wellen, die im einfachsten Fall von zwei um 90 Grad verdrehten, gekreuzten Dipolen abgestrahlt werden, deren Erregungen sich um 90 Grad (z.B. durch eine Lambda/4-Umwegleitung) elektrisch unterscheidet.
Bei der elliptischen Polarisation ändert sich die Drehgeschwindigkeit der Polarisationsebene während der Ausbreitung periodisch. Theoretisch denkbar wäre es, die Rotation mit einer Nachricht zu modulieren. Da die Polarisation durch Beugung und Brechung an Materie aber stark beeinflusst wird, findet dies keine Anwendung.
6. Zusammenfassung
Aus diesen pysikalischen Vorgängen kann man folgende Charakteristika für die elektromagnetische Strahlung einer Quelle angeben:
- Die bewegte Ladung muss sich über eine von 0 verschiedene, endliche Strecke in einer Zeit t > 0 bewegen. Die Antenne braucht also eine endliche mechanische Ausdehnung und zum Glück kann Materie (ladungstragende Elektronen haben eine Masse!) nie schneller als die Lichtgeschwindigkeit c sein.
- Eine periodische Ladungsverschiebung (ein Wechselstrom) umgibt sich mit einem elektromagnetischen Feld. Diese Ladungsverschiebung kann man wie folgt erzeugen:
- Der Wechselstrom durchfliesst eine Leiterschleife. Die Felder der Einzelleiter kompensieren sich im Fernfeld dann um so schlechter, je weiter die beiden Leiter auseinander gezogen werden (Rhombusantenne). Es kommt zur Abstrahlung. Bei der Aufspreizung einer symmetrischen Speiseleitung zu einem Rhombus, ändert sich ihr Wellenwiderstand kontinuierlich doch es kommt dadurch nur zu einer vernachlässigbaren Reflexion.
- Der Wechselstrom fliesst in einen einzelnen Leiter. Wegen der Ladungsträgerlaufzeit kommt es bei passend gewählter Leiterlänge durch konstruktive Überlagerungen zu Resonanzeffekten, die man auch als Refexion am Leiterende interpretieren kann. Die Maxima von E und H liegen auf dem Antennenleiter an konstanten (aber verschiedenen) Orten. Es kommt zur Abstrahlung.
- Durch Influenz/Induktion wird eine elektrisch leitende Fläche sekundär erregt. Es bilden sich Strombeläge aus, deren Maxima sich örtlich nicht verändern. Durch geeignete Wahl der strahlenden Fläche (Eckenreflektor, Parabolspiegel) überlagern sich die Felder in der Ferne konstruktiv. Dies führt zu einer ausgeprägten Richtwirkung und damit zu erheblichen Antennengewinnen.
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Festzuhalten ist noch, dass sich ein System aus Sende- und Empfangsantenne im freien Raum reziprok verhält. D.h. die Dämpfung dieser Übertragungsstrecke ist in beiden Richtungen bei unveränderten Antennen identisch. Auf der Erde können durch Beugung und/oder Reflexion der elektromagnetischen Welle unterschiedliche Dämpfungen auftreten.7. Immer noch zu verwirrend?
IN 100 WORTEN:
[list=0] Jede beschleunigte elektrische Ladung umgibt sich mit einem Magnetfeld. Die Ladung selbst wird durch ein elektrisches Potential (die Erregung durch den Sender) beschleunigt. Zusammen ergeben beide Felder das sog. elektromagnetische Feld. Beide Felder sind voneinander abhängig und existieren immer gleichzeitig. Ihr Verhältnis ist eine vom Ausbreitungsmedium abhängige Naturkonstante.Die Energiedichte des elektromagnischen Feldes in einer beliebigen konstanten Entfernung (am Empfangsort) hängt in Hauptstrahlungsrichtung nicht von der Länge des durchlaufenen Weges (der Länge der Sendeantenne) bei der Beschleuniging ab! Die am Empfangsort aufgenommene Energie ist aber von der Grösse der Empfangsantenne abhängig! Das elektromagnetische Feld unterliegt im leeren Raum keiner Dämpfung!
- Der Wechselstrom durchfliesst eine Leiterschleife. Die Felder der Einzelleiter kompensieren sich im Fernfeld dann um so schlechter, je weiter die beiden Leiter auseinander gezogen werden (Rhombusantenne). Es kommt zur Abstrahlung. Bei der Aufspreizung einer symmetrischen Speiseleitung zu einem Rhombus, ändert sich ihr Wellenwiderstand kontinuierlich doch es kommt dadurch nur zu einer vernachlässigbaren Reflexion.
8. Fragen [Q] und Antworten [A]
Unter dieser Überschrift sind oft wiederkehrende Fragen mit kurzen Antworten zusammengefaßt, die von allgemeinem Interesse sind und helfen sollen, die Thematik weiter zu klären.
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[*][ Q: ] Wo braucht man dieses spezielle Wissen im Amateurfunk?
[ A: ] Im praktischen QSO-Betrieb eigentlich nirgends. Das Wissen hilft aber bei der Beurteilung und Auswahl von Antennenbauformen. Es erlaubt z.B. eine Abschätzung, wo sich mechanisch kleine Antennen lohnen und welche Einschränkungen man bei ihrer Verwendung in der Praxis zu erwarten hat.
[*][ Q: ] Das magnetische Feld nimmt mit 1/r ab, während die Strahlungsdichte (der Poyntingsche Vektor) mit 1/r² viel schneller abnimmt. Warum kann man das magnetische Feld, wie z.B. in einen Transformator, nicht alleine zur Übertragung einsetzen, um so höhere Reichweiten zu erzielen?
[ A: ] Um ein magnetisches Feld elektrisch nachweisen zu können, muss auf Elektronen eine Kraft ausgeübt werden. Dies ist durch eine Änderung des magnetischen Feldes möglich, was man als magnetische Induktion oder magnetischen Fluß B bezeichnet. Wirkt so ein magnetischer Fluß auf ein Elektron, so bewegt es sich auf einer Kreisbahn, deren Radius r gerade dem Abstand zum Ursprung des magnetischen Feldes entspricht. Die dabei auf das Elektron wirkende Kraft wird Lorentzkraft genannt. Sie nimmt mit 1/r ab. Da die magnetische Feldstärke aber auch mit 1/r abnimmt, nimmt insgesamt die Kraftwirkung auf das Elektron mit 1/r² ab. Man hat also gegenüber dem elektromagnetischen Feld nichts gewonnen.
[*][ Q: ] Ist das bei einem elektrischen Feld auch so?
[ A: ] Um ein elektrisches Feld nachweisen zu können, muss ein Potentialunterschied vorhanden sein. Zwischen unterschiedlichen elektrischen Feldstärken entsteht dann eine elektrische Verschiebungsdichte D, die man als Influenz bezeichnet. Zum Nachweis müssen auch hier Elektronen fliessen und es entsteht dabei die gleiche mit 1/r² abnehmende Kraftwirkung wie beim magnetischen Feld.
[*][ Q: ] Gibt es im Nahfeld Bereiche, an denen die Strahlungsdichte 0 ist?
[ A: ] Ja, aber es kommt auf die Bauform der Antenne an. Man findet solche Fälle bei Antennen-Arrays (gestockte Yagis, phased Arrays) und ungünstig aufgebauten, verwinkelten Langdrahtantennen. Hier kann es auch lokal zu Hot-Spots kommen, bei denen die Strahlungsdichte im Nahfeld lokale Maxima aufweist. Bei hohen Sendeleistungen kann es hier zu erheblichen Wärmewirkungen im Nahfeld kommen.
[*][ Q: ] Was ist denn nun eigentlich eine Antenne?
[ A: ] Jeder elektrisch leitende Draht, jede Fläche und mit Einschränkungen auch jedes Volumen in, auf oder durch das ein elektrischer Strom periodisch fliesst, wird zu einer strahlenden Antenne.
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tnx an das Forum für die Mithilfe bei der Zusammenstellung und der Korrektur dieses Textes!
