Der Hertzsche Dipol einfach erklärt: Elektromagnetische Wellen

Stell dir vor, du schickst ein Foto an einen Freund. Das Bild fliegt unsichtbar durch die Luft, durch Wände hindurch, direkt in sein Smartphone. Aber wie genau verlässt das Bild dein Handy? Genau hier kommt der Hertzsche Dipol ins Spiel, der in der Physik die Grundlage für die Erzeugung elektromagnetischer Wellen bildet.

Das Geheimnis dahinter ist die Antenne, in der Physik auch Hertzscher Dipol genannt. In diesem Artikel schauen wir uns an, wie man aus einfachen elektronischen Bauteilen eine solche Antenne baut, wie sie unsichtbare Felder in den Raum schleudert und wie ein anderes Gerät diese Energie wieder auffangen kann!

Vorwissen

Bevor wir uns den Hertzschen Dipol genauer ansehen, solltest du diese physikalischen Grundlagen kennen:

• Elektrischer Schwingkreis: Ein geschlossener Stromkreis aus einer Spule und einem Kondensator, in dem Energie hin und her schwingt. Beispiel: Wie ein Pendel schwingt die Energie ständig zwischen dem elektrischen Feld des Kondensators und dem Magnetfeld der Spule hin und her.
• Felder durch Ladungen: Ladungen erzeugen unsichtbare Felder im Raum. Beispiel: Eine ruhende Ladung erzeugt ein elektrisches Feld. Fließt die Ladung als Strom durch ein Kabel, erzeugt sie ein Magnetfeld.

Aufgabentyp 1: Vom Schwingkreis zur Antenne

Um die Erzeugung elektromagnetischer Wellen zu verstehen, betrachten wir zunächst den Umbau eines normalen Schwingkreises. Ein normaler Schwingkreis besteht aus einem Kondensator und einer Spule. Das elektrische Feld ist zwischen den Kondensatorplatten eingesperrt, und das Magnetfeld ist im Inneren der Spule gefangen. Um diese Felder in den Raum zu senden, müssen wir den Schwingkreis „öffnen“.

Wir ziehen die Kondensatorplatten immer weiter auseinander und biegen die Spule auf, bis nur noch ein gerader Stab übrig ist. Dieser Stab wird Hertzscher Dipol (oder einfach Antenne) genannt.

Durch diese Umformung passiert Folgendes:

• Der Abstand der Platten wird riesig, wodurch die Kapazität ($C$) stark abnimmt.
• Die Spule hat keine Windungen mehr, wodurch die Induktivität ($L$) stark abnimmt.

Weil $C$ und $L$ kleiner werden, schwingen die Elektronen viel schneller hin und her. Die Resonanzfrequenz des neu entstandenen Dipols steigt also enorm an!

Aufgabentyp 2: Ladungsbewegung und Feldentstehung im Dipol

Nun schauen wir uns an, was im Inneren der Antenne passiert. Wenn wir den Dipol anregen, schwappen die Elektronen im Stab extrem schnell von oben nach unten und wieder zurück.

• Das elektrische Feld: Wenn sich viele Elektronen am unteren Ende sammeln, ist dort ein negativer Ladungsüberschuss, während oben ein positiver Pol entsteht. Diese ruhenden, getrennten Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld entlang des Stabes.
• Das Magnetfeld: Kurz darauf fließen die Elektronen wieder zur anderen Seite. Diese bewegten Ladungen (der Strom) erzeugen ein Magnetfeld, das ringförmig um den Stab verläuft. Die Richtung dieses Feldes lässt sich mit der Linke-Hand-Regel bestimmen.

Wichtig: In der Mitte des Dipols müssen alle Elektronen auf ihrem Weg von einem Ende zum anderen vorbeifließen. An den Enden stauen sie sich und stoppen kurz. Daher ist die elektrische Stromstärke in der Mitte des Dipols am größten und an den Enden minimal.

Weil die Elektronen ständig die Richtung wechseln, bauen sich das elektrische Feld und das Magnetfeld immer wieder neu auf, verschwinden und entstehen in umgekehrter Richtung neu. Dieser Vorgang setzt sich periodisch fort.

Aufgabentyp 3: Senden und Empfangen von Wellen

Im letzten Schritt betrachten wir, wie die Energie tatsächlich durch den Raum wandert. Die ständigen Wechsel der Felder im Sendedipol passieren so schnell, dass die Felder nicht mehr einfach in den Stab zurückkehren können. Sie drücken sich gegenseitig nach außen weg.

Das elektrische Feld und das Magnetfeld lösen sich vom Dipol ab. Sie bilden geschlossene Ringe, die sich gemeinsam als elektromagnetische Welle frei durch den Raum ausbreiten. So wird Energie transportiert, ganz ohne Kabel!

Der Empfang:

Wenn diese Welle auf eine andere Antenne (den Empfangsdipol) trifft, schubsen die ankommenden Felder die Elektronen in diesem zweiten Stab an. Wenn der Empfangsdipol genau die gleiche Resonanzfrequenz wie der Sender hat, schwingen die Elektronen extrem stark mit. Das nennt man Resonanz. Durch diese übertragene Energie kann man am Empfänger zum Beispiel eine kleine Glühlampe zum Aufleuchten bringen.

Wichtige Erkenntnisse

Hier ist das Wichtigste zum Hertzschen Dipol auf einen Blick zusammengefasst:

• Ein Dipol entsteht durch das „Öffnen“ eines Schwingkreises. Dabei sinken Kapazität und Induktivität, wodurch die Frequenz stark ansteigt.
• Hin- und herschwappende Elektronen erzeugen abwechselnd ein elektrisches Feld (durch Ladungstrennung an den Enden) und ein Magnetfeld (durch Stromfluss). In der Mitte des Stabes ist der Strom am größten.
• Die Felder lösen sich als geschlossene Ringe ab und wandern als elektromagnetische Welle durch den Raum.
• Treffen die Wellen auf einen Empfänger, regen sie dessen Elektronen in Resonanz an und übertragen so Energie.