 |
DARC e.V. Offline-Version Klasse E für Ausbilder |
Achtung! Dies ist die Offline-Version nur für Ausbilder des Amateurfunk-Lehrgangs für die Klasse E von Eckart K. W. Moltrecht, DJ4UF, einschließlich des Lehrgangs für Betriebstechnik und Vorschriften. Links ins Internet funktionieren natürlich nicht.
ÜbersichtMit Hilfe der Funktechnik sollen Informationen drahtlos übertragen werden. Zum Aufbau einer solchen Funkstrecke wird auf der einen Seite ein Sender benötigt, der mit der zu übertragenden Nachricht moduliert wird, und auf der anderen Seite ein Empfänger, der die Nachricht verarbeiten kann.
Durch die Erzeugung und die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ist es möglich, diese Nachricht über große Entfernungen drahtlos zu übertragen. Dies ist die eigentliche Funktechnik. Diese elektromagnetischen Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern mit einer sehr hohen Frequenz (Hochfrequenz). In den folgenden Abschnitten soll nun der Versuch gemacht werden, diese unsichtbaren Felder ein wenig begreifbar zu machen. Dazu wird zunächst gezeigt, wie statische (unveränderliche) elektrische und magnetische Felder erzeugt werden und wie man sie durch Linien darstellt. In Wirklichkeit sind es natürlich keine Linien sondern Felder, die wie die Luft überall vorhanden sind, aber unterschiedliche Feldstärke haben.
Das elektrische Feld
Wird an zwei voneinander isolierten Metallplatten eine Gleichspannung gelegt, entsteht im Raum zwischen den Platten ein elektrisches Feld. Wenn die Platten parallel zueinander sind, entsteht ein gleichmäßiges (homogenes) Feld, das durch parallele Linien dargestellt wird (Bild 8-2).
Die Stärke des elektrischen Feldes ist umso größer, je höher die Spannung U zwischen den Platten und je kleiner der Abstand ist. Die Formel lautet
Mehr zu diesem Thema im lehrgang zur Klasse A!
Das magnetische Feld
Wenn durch den Draht einer Zylinderspule wie in Bild 8-3 Gleichstrom fließt, entsteht im Innern ein gleichmäßiges magnetisches Feld. Eine Kompassnadel wird zum Beispiel dadurch bewegt. Dieses magnetische Feld wird beispielsweise bei Messgeräten zum Ausschlagen eines Zeigers, also zur Strommessung verwendet. Die magnetische Feldstärke zu berechnen, ist nicht ganz einfach. Deshalb wird hier keine Formel angegeben. Aber die Feldstärke wird mit der Stromstärke größer und mit der Länge der (geschlossenen) Feldlinie geringer. Die Einheit wird in Ampere pro Meter angegeben.
Ein einzelner Strom durchflossener Leiter erzeugt ein ringförmiges (konzentrisches) Magnetfeld. So sehen die magnetischen Feldlinien um einen Vertikalstrahler aus (Bild 8-4). Der Unterschied ist nur, dass sie sich in der Richtung und Stärke mit der Frequenz ändern.
Begründung: Im Innern einer Spule ist das Feld homogen (parallele
Feldlinien),
Begründung: Es ist ein Magnetfeld und konzentrisch. Magnetische Feldlinien können "verstärkt" werden, wenn man bestimmte Stoffe einfügt. Zu diesen Stoffen gehört insbesondere Eisen. Sie kennen dies sicher aus der Praxis, dass man mit einem Magneten Eisen gut anziehen kann. Man nennt solche Stoffe ferromagnetisch (ferrum = Eisen).
Begründung: Sicher wissen Sie aus der Praxis, dass ein Magnet nicht an Chrom, an Kupfer oder an Aluminium fest hält.
Elektromagnetisches Feld
Werden die Kondensatorplatten eines Parallelschwingkreises auseinander gezogen, so verlaufen die elektrischen Feldlinien nicht nur innerhalb des Kondensators von einer Platte zur anderen, sondern sie gehen weit durch den Raum (Bild 8-5 a). Zieht man auch noch die Spule auseinander, erhält man eine Dipolantenne (Bild 8-5 b). Die elektrischen Feldlinien verlaufen nun von der einen Seite des Drahtes zur anderen durch den Raum. Die magnetischen Feldlinien bilden geschlossene Kreise um den Draht. Eine Antenne ist ein so genannter offener Schwingkreis. Wie bei einem Parallelschwingkreis pendeln auch bei einem offenen Schwingkreis die elektrische Energie des Kondensators (elektrisches Feld) und die magnetische Energie der Spule (magnetisches Feld) immer hin und her. Die beiden Felder verlaufen nicht gleichphasig. Wenn das magnetische Feld stärker wird, nimmt das elektrische Feld gerade ab und umgekehrt. Eine Antenne wird vom Sender mit hochfrequenter Energie (Wechselspannung) gespeist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt fließt beispielsweise maximaler Strom in der Antenne, die Spannung ist dann gerade Null (Bild 8-6a). Um die Antenne hat sich ein geschlossenes magnetisches Feld gebildet, das eine bestimmte Richtung hat (1).
Nun nimmt der Strom ab und die Spannung steigt bis zum Zeitpunkt 2. Jetzt ist nur ein elektrisches Feld vorhanden, das eine bestimmte Richtung hat. Auch diese elektrischen Feldlinien sind in sich geschlossen. Sie verlaufen durch den Draht der Antenne. Da im Zeitpunkt 3 eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird, die bis zum Zeitpunkt 4 ansteigt, müssen sich die vorher entstandenen elektrischen Feldlinien außerhalb der Antenne schließen (Bild c). Man kann sich den Abstrahlvorgang so vorstellen, als ob die jeweils vorigen Feldlinien von den folgenden Feldlinien weggedrückt und dann vor sich her geschoben werden. Dabei treten immer zeitlich verschoben elektrische und magnetische Feldlinien auf. Man könnte sagen: Jede magnetische Feldlinie erzeugt eine elektrische und jede elektrische erzeugt wiederum eine magnetische Feldlinie. Es soll an dieser Stelle nochmals betont werden, dass dies nur der Versuch einer Erklärung mit der Modellvorstellung von Feldlinien ist. Es gibt auch andere wissenschaftliche Modelle.
Polarisation
Anstatt eine Dipolantenne zu verwenden, kann man auch die Hälfte einer solchen Antenne gegen Erde erregen. Diese Marconi-Antenne steht dann senkrecht (vertikal). Auch die weiter hinten im Lehrgang behandelte Groundplane-Antenne (Lektion 11) hat ein solches elektromagnetisches Feld. Bei der Wellenausbreitung spricht man von horizontaler und vertikaler Polarisation. Hierbei wird die Richtung des elektrischen Feldes (E-Feld) als Bezug genommen. Wenn die Sendeantenne senkrecht auf dem Erdboden steht, verlaufen die elektrischen Feldlinien (X in Bild 8-7) von oben nach unten (vertikal) und die magnetischen Feldlinien (H-Feld) kreisförmig um die Sendeantenne herum parallel zum Erdboden (horizontal). Man spricht in diesem Fall von vertikaler Polarisation.
Die kreisförmigen Linien im Bild 8-7 sind die magnetischen Feldlinien und die von oben nach unten verlaufenden Feldlinien sind die elektrischen Feldlinien. Eine solche senkrecht nach oben zeigende Antenne heißt Vertikalantenne. Man sagt: Diese Antenne hat eine vertikale Polarisation. Das magnetische Feld verläuft rechtwinklig (90°) zum elektrischen Feld, hier also waagerecht. Um die magnetischen Feldlinien zu empfangen, kann man eine Ferritantenne verwenden. Eine Ferritantenne ist ein zylindrisches Stück „Eisen“ (Ferritmaterial), auf das eine Spule gewickelt ist. Eine Ferritantenne muss bei vertikaler Polarisation aber waagerecht angeordnet sein, so dass die horizontal verlaufenden magnetischen Feldlinien die Spule maximal durchsetzen, um die höchste Empfangsspannung zu liefern. Durch Drehung dieser Antenne kann man damit peilen. Wenn die Ferritantenne genau in Richtung Sendeantenne zeigt, gehen die Feldlinien quer durch den Ferritstab und nicht mehr durch das Innere der Spule und die Empfangsspannung ist gering. Solch eine Antenne wird bei Peilwettbewerben im Amateurfunk verwendet.
Begründung: Die mit X bezeichneten Linien sind die zwischen den
Kondensatorplatten.
Begründung: Hier ist das X an den konzentrischen Kreisen. Das sind die magnetischen Feldlinien.
Begründung: Der Strom muss sich schnell ändern (Hochfrequenz).
Begründung: Es gelten die Feldlinien des elektrischen Feldes (E).
Begründung: Die Feldlinien stehen senkrecht aufeinander, also 90°.
Begründung: Die Antennenstäbe stehen senkrecht (vertikal). Sie bestimmen die elektrischen Feldlinien.
Wellenlänge Die elektromagnetischen Wellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit wie der des Lichtes aus. Im Freien beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit 300 000 km pro Sekunde. In Kabeln ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit mit 200 000 bis 280 000 km pro Sekunde zwar etwas niedriger, aber immer noch unvorstellbar hoch. Um dennoch eine kleine Vorstellung zu geben: In einer Sekunde würden sich die elektromagnetischen Wellen mehr als siebenmal um die Erde bewegen beziehungsweise fast die Strecke Erde - Mond zurücklegen. Wenn eine Welle eine Frequenz hätte von 1 Hertz (1 Schwingung pro Sekunde), wäre der Anfang dieser einen Welle bereits 300 000 km entfernt, wenn das Ende gerade abgestrahlt wird. Diese Entfernung bezeichnet man als Wellenlänge λ (gesprochen: lambda). Sie beträgt bei ein Hertz also 300 000 km im freien Raum. Nimmt man nun eine um eine Million höhere Frequenz, nämlich ein Megahertz, so ist der Anfang erst ein Millionstel so weit entfernt. Die Wellenlänge beträgt also 300000 km geteilt durch 1 Million. Für eine Million schreibt man in der Mathematik auch 106, das bedeutet eine 10, sechsmal mit sich selbst malgenommen oder eine 1 mit 6 Nullen. Damit kann man dann einfacher mit dem Taschenrechner rechnen, indem man bei Exponent (EXP) einfach eine 6 eingibt. Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit 300 000 Kilometer oder 300 000 000 m kann man auch schreiben
Bei 1 MHz beträgt die Wellenlänge also 300 m. Bei 10 MHz wären es dann 30 m oder bei 100 MHz noch 3 m. Als Formel (Anhang 3!) schreibt man
Allgemein gilt
Lösung: Für einen Funkamateur ist folgende zugeschnittene Formel recht praktisch. Für unser Beispiel teilt man einfach 300 durch 1,84 und erhält 163 (Meter).
300 000 Kilometer pro Sekunde muss man sich einfach merken.
Begründung: Es ist eine Länge. Eine Länge wird immer in Meter angegeben.
Lösung durch überlegung: 30 MHz entspricht 10 m. Weniger als 30 MHz muss eine etwas größere Wellenlänge sein als 10 m. Sie können auch rechnen:
Ist die Wellenlänge bekannt, lässt sich durch Umstellung der Formel die dazugehörige Frequenz berechnen.
Lösung: Die Frequenz beträgt also 145,631 MHz.
Lösung: Hier kann man nicht schätzen, also rechnen.
Lösung: Schauen Sie in die Tabelle 8-2 weiter unten.
Lösung: Schauen Sie in die Tabelle 8-1 und vergleichen Sie mit Tabelle 8-2! Dies sollte man sich ruhig für die Praxis merken: 2 m = VHF, 70 cm = UHF.
Die in der Tabelle 8-1 hellgrau unterlegten Bereiche sind die klassischen Kurzwellenbänder. Die anderen KW-Bänder heißen WARC-Bänder. Das 6-m-Band nimmt eine Sonderstellung ein. Früher gab es Sondergenehmigungen. Seit 2006 ist es für Klasse-A-Inhaber mit Einschränkungen frei. Die fett gedruckten Bereiche sind die für Klasse E zugelassenen Bänder.
© Eckart K. W. Moltrecht, aus dem Buch 411 0064 5.Auflage 2007 nach HTML konvertiert
Anhang Formelsammlung zur Prüfung zum Amateurfunklehrgang Klasse E
Hinweis *) Dies ist eine Lektion aus dem Buch Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis Klasse E von Eckart K. W. Moltrecht, 5. Auflage 2007.
Letztes Update dieser Seite: 28.3.2007 (by DJ4UF) |
