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Antennen und Wellenausbreitung

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist eine der vier Kräfte, welche die Vorgänge in unserem Universum beherrschen. Die Kontrolle dieser Kraft ist die Basis vieler der Errungenschaften unserer modernen Welt. Von Computern zu Antennen, von Fernerkundung zu unseren vielen Multimedia Spielzeugen, fast alles was unsere moderne Welt kennzeichnet basiert auf der Kontrolle der elektromagnetischen Wechselwirkung und ihren charakteristischen Auswirkungen.

Es gibt 2 fundamentale Theorien, welche alle elektromagnetischen Phänomene beschreiben, nämlich die klassische Elektrodynamik und die Quantenelektrodynamik. Während die Quantenelektrodynamik zur Beschreibung vieler Mikroskopischen Systeme, etwa die der Atome, benötigt wird, lassen sich die meisten praktischen Anwendungen durch die Gleichungen der klassischen Elektrodynamik modellieren, also den berühmten Maxwell Gleichungen.

Maxwell Gleichungen

Maxwell Gleichungen

Vielleicht sollte man die Maxwell Gleichungen an dieser Stelle auch als berüchtigt betiteln, denn leider können nur für die einfachsten Geometrien Lösungen zu diesem System von partiellen Differentialgleichungen gefunden werden. Für die meisten praktischen Anwendungen muss man zu numerischen Lösungsmethoden greifen. Glücklicherweise lässt sich beweisen, dass es egal ist, ob eine Lösung durch analytische oder numerische Verfahren gefunden wird.

Jene Eigenschaft, welche elektromagnetische Phänomene so allgegenwärtig macht ist das Wellenphänomen. Die Maxwell-Gleichungen können in einer Art und Weise verknüpft werden, so dass eine Wellengleichung folgt. Die mathematische Lösung dieser Gleichung ist eine Welle, die auch tatsächlich in der Natur existiert. Elektrische und magnetische Felder ändern sich zeitlich so, dass jedes der Felder das jeweils andere erzeugt. Durch diese Wechselwirkung kommt es zum Phänomen der elektromagnetischen Wellenausbreitung und es ist ein Transfer von elektromagnetischer Energie ohne leitendes Medium möglich. So wärmt uns die Sonne, obwohl sie so weit weg ist.

Wellengleichungen in Vakuum
Strahlungsfeld eines Hertz'schen Dipols

Elektromagnetische Wellen werden mit Antennen gesendet und empfangen. Wie gut eine EM Welle versendet oder empfangen werden kann hängt davon ab, wie gut die Antenne an die Frequenz der Strahlung und an die gewünschten Eigenschaften (zum Beispiel den Sende- und Empfangs-Kegel) angepasst ist. Antennen-Design ist Wissenschaft, wie auch Kunst. Oft werden numerische Methoden zum Bestimmen der Antennen-Eigenschaften verwendet.

Radiostrahlung kann aber auch durch natürliche Phänomene erzeugt werden, meist Prozesse in Weltraumplasma. Man kann diese natürliche Strahlung mittels Antennen auffangen und auswerten. Aus den Eigenschaften der Strahlung kann man auf den physikalischen Prozess schließen, durch den die Strahlung erzeugt wurde. Dies nennt man Radioastronomie. Radioastronomie wird nicht nur durch Profis auf Universitäten und innerhalb der Weltraumbehörden betrieben, sondern auch durch zahlreiche Amateur Radioastronomen.

Neben der Radio Astronomie gehört auch der Funk zu den klassischen Anwendungsgebieten der Radiowellen. Wie auch bei der Radio Astronomie gibt es Amateurfunker, die den Funk als Hobby betreiben.


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