Der Schwingkreis

Um eine kontinuierliche EM-Welle zu erzeugen, braucht man einen sich ständig wiederholenden Vorgang, bei dem Ladungen zu jedem Zeitpunkt beschleunigt werden. Das ist beim Schwingkreis der Fall. Er ist die Grundlage jeder Funkübertragung, etwa bei Radio, Fernsehen oder Handy. Im Wesentlichen besteht ein Schwingkreis aus einem Kondensator und einer Spule, und diese bringen die Ladungen zum Schwingen. Wie geht das?

In einem Schwingkreis kommt es zu einem ständigen Umladen des Kondensators.

Zunächst muss der Kondensator durch eine Spannungsquelle aufgeladen werden (Abb. a). Und dann geht es los. Der Kondensator entlädt sich. Durch den Stromfluss baut sich in der Spule ein Magnetfeld auf (b). Wenn der Kondensator entladen ist, bricht das Magnetfeld zusammen. Dadurch kommt es in der Spule zur Selbstinduktion die den Stromfluss noch etwas aufrechterhält, wodurch sich der Kondensator gegengleich auflädt (c). Und dann läuft alles wieder retour (d + a), und fängt von neuem an.

Die Ladungen schwingen hin und her. Es handelt sich also um Wechselstrom, dessen Frequenz von Spule und Kondensator abhängt. Bei der Übertragung von Ö3 wird eine Frequenz von rund 100 MHz verwendet, das entspricht 100 Millionen Schwingungen pro Sekunde (F14). Das ist 2 Millionen Mal schneller als der Wechselstrom im Netz!!! Wenn du den Sender eines Radios einstellst, dann machst du nichts Anderes, als die Kapazität des Kondensators und somit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern (F12).

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Energieumwandlungen bei Schwingkreis und Fadenpendel.

Aber nicht nur die Ladungen schwingen, sondern auch die Energien. Einmal befindet sich diese im elektrischen Feld (obige Abb. a und c), einmal im magnetischen (b und d). Ähnlich ist es bei einem schwingenden Pendel oder einer Schaukel (Abb. Schwingkreis). Dabei wandeln sich potenzielle und kinetische Energie ineinander um. Wenn du eine Schaukel nur einmal anstupst, dann wird sie bald auspendeln, weil immer eine gewisse Menge an Energie in Form von Wärme verloren geht. Dadurch entsteht eine gedämpfte Schwingung (folgende Abb.).

Wenn du aber im richtigen Zeitpunkt Energie zuführst, indem du am höchsten Punkt antauchst, kannst du eine ungedämpfte Schwingung erzeugen. Beim Schwingkreis ist es vom Prinzip her genauso. Hier übernimmt das „Antauchen„ jedoch eine elektronische Schaltung. Weil die Energiezufuhr vom Schwingkreis selbst ausgelöst wird, spricht man von einer Rückkopplung. Eine solche gibt es zum Beispiel auch bei einer Pendeluhr. Dabei sorgt der Anker für die Energiezufuhr zum richtigen Zeitpunkt.

Gedämpfte und ungedämpfte Schwingung.

Im Schwingkreis werden Ladungen beschleunigt, und das ist das universelle Prinzip zum Erzeugen von EM-Wellen. Aber ein Schwingkreis strahlt diese EM-Wellen nicht besonders gut ab. Eine wesentlich bessere Abstrahlung ergibt sich mit Hilfe einer Antenne. Eine Antenne ist ein offener Schwingkreis. Das klingt etwas seltsam, aber die Enden der Antenne wirken wie die Platten eines Kondensators, und das Magnetfeld entsteht durch den Stromfluss im Leiter.

Aus einem Schwingkreis wird ein offener Schwingkreis, also eine Antenne.

In der Antenne schwingen die Ladungen mit sehr hoher Frequenz, weil $L$ und $C$ sehr klein sind. Weil sich die Enden der Antenne wie die Platten des Kondensators wechselweise unterschiedlich laden, sagt man zu ihr auch Dipol! Die Ladungen schwingen auf und ab.

Abstrahlung von EM-Wellen mit einer Antenne. Immer wenn diese gerade elektrisch neutral ist (b), lösen sich die elektrischen Feldlinien ab. Die magnetischen Feldlinien stehen normal auf die elektrischen © und beide breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit von der Antenne aus.

Das Prinzip ist also genau so wie bei der Schockwelle, nur dass die Beschleunigung durch die Schwingung kontinuierlich erfolgt. Dadurch entsteht nicht nur ein Knick in den elektrischen Feldlinien, sondern diese lösen sich von der Antenne ab und entwickeln quasi ein Eigenleben. Natürlich muss auch eine Antenne durch Rückkopplung mit Energie versorgt werden, damit sie dauernd senden kann.

Ein Schwingkreis besteht aus Spule und Kondensator, erzeugt beschleunigte Ladungen und somit EM-Wellen. Wenn man ihn aufbiegt, erhält man eine Antenne. Damit man eine ungedämpfte Schwingung erzeugen kann, muss durch einen Rückkopplungsmechanismus periodisch Energie zugeführt werden. Abb. 33.18: Aus einem Schwingkreis wird ein offener Schwingkreis, also eine Antenne.