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DJ5CA > TECHNIK 11.04.08 20:20l 201 Lines 10335 Bytes #999 (30) @ DL
BID : B4IDB0CWS006
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Subj: Energieuebertrag.im Dielektrikum
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Sent: 080411/2008z @:DB0CWS.#HES.DEU.EU [Steinau-Stadt OP:DG9FDL] bcm1.42k $:B4
From: DJ5CA @ DB0CWS.#HES.DEU.EU (Peter)
To: TECHNIK @ DL
Reply-To: DJ5CA @ DB0GV.#HES.DEU.EU
Vielen Dank fuer die Zuschriften zum Thema
,, Leistungsuebertragung im Dielektrikum,, . Ist das so? Was passiert
in unseren Hochfrequenzleitungen?
1. Der Ausgangspunkt
Am 22.2.08 hatte ich folgenden Text in die Rubrik Technik geschrieben:
< Leistungsuebertragung der Hochfrequenz findet im Dielektrikum
um die Leiter durch die elektromagnetische Welle statt
_____________________________________________________________
Kann diese vereinfachte Darstellung so gelten?
Fuer entsprechende erklaerende Ausfuehrungen zu nachstehenden
Aussagen waere ich außerdem dankbar:
,, In der Hochfrequenzleitung findet der Leistungstransport
nicht in der HF-Leitung statt, sondern im elektromagnetischen
Feld, das sich um die beiden Leiter ausbildet und wellenfoermig
entlang der Leiter fortbewegt. Die Leiter selbst dienen nur
zur Fuehrung und bilden also gewissermassen den Weg. ,,
Vy 73 de Peter, DJ5CA, 22.2.2008 >
2. Einige der eingegangenen Stimmen zum Thema gebe ich hier
in einer Aufreihung wieder:
a) Erste Stimme
Fast richtig.
Die Energie wird im elektromagnetischen Feld entlang der Leiter-
oberfläche transportiert. Nicht im Feld um die beiden (welche?)
Leiter herum, sondern im Feld zwischen dem Hin- und dem Rück-
leiter. Das gilt auch für Gleichstrom und nur einem Leiter.
Mach Dich schlau: das Stichwort heißt ,, Pointing-Vektor,, .
b) Zweite Stimme
Es passt alles. Der Leistungstransport findet wirklich im
Dielektrikum statt, wo sich das elektromagnetische Feld auf-
baut, und nicht in den Leitern selber.
Dass elektromagnetische Felder Leistung transportieren ist ja
keine Ueberraschung. Radiowellen und Sonnenstrahlen sind mit
einer Leistungsuebertragung (vom Sender zum Empfaenger)
verbunden.
Je staerker das elektromagnetische Feld ist, desto groesser ist
der Leistungstransport (ausser bei rein kapazitiven oder
induktiven Verhaeltnissen).
Der Leistungstransport wird durch den Pointing-Vektor beschrieben.
Damit sich aber eine elektromagnetische Welle aufbaut, muss
irgendwo ein Strom fliessen. Der Fluss der Elektronen in den
Leitern (zwischen denen eine Spannung herrscht) baut das
elektromagnetische Feld auf.
Wenn z.B. durch einen Widerstand der Stromfluss behindert wird,
fliesst weniger Strom, das elektromagnetische Feld wird schwaecher
und es wird weniger Leistung transportiert.
Beim Skin-Effekt passiert das Gleiche. Der Stromfluss wird abge-
bremst, weil er mit steigender Frequenz mehr und mehr an die
Oberflaeche gedrueckt wird. Der Widerstand erhoeht sich. Dadurch
verringert sich das umliegende elektromagnetische Feld und die
transportierte Leistung (durch das Feld) wird entsprechend kleiner.
c) Dritte Stimme
Was genau ein elektromagnetisches Feld ist, ist eher eine
philosophische als eine physikalische Frage. Aehnliche Fragen
sind z.B.: Was ist Materie? Was ist Energie? Was ist Raum-Zeit?
Was ist Bewusstsein? Was ist Schmerz? etc...
Die Weltanschauung der Menschheit veraendert sich im Laufe der Zeit.
So ist z.B. das Weltbild nach der Relativitaetstheorie von Einstein
und nach der Quantenmechanik ein voellig anderes, als das Weltbild
zu Newtons Zeiten (oder gar zu Aristoteles Zeiten...) !
Es war fuer die ersten Menschen ein Wunder, dass es ueberhaupt eine
Fernwirkung zwischen Objekten gab, so dass z.B. der Mond von der
Erde angezogen wird, obwohl die selben Menschen es ganz normal
finden, dass die Aepfel von den Baeumen fallen ... !
Die Elektrizitaet und der Magnetismus wurden anfangs aehnlich wie
die Gravitation beschrieben. Es galt also, dass es gewisse Fernwir-
kungen zwischen geladenen Objekten gab !
Spaeter stellte man aber fest, dass es auch elektromagnetische
Wellen gibt, die Energie transportieren, und dass war auch wieder
eine Revolution!
Anfangs dachten noch viele Physiker es muesse ein Medium geben, dass
die elektromagnetischen Wellen beherbergt. Die Schallwellen brauchen
ja ein Medium um ueberhaupt zu existieren (sie sind ja eine
Veraenderung des Druckes in der luft...), und die Wellen im Meer
sind auch ohne Wasser nicht denkbar.
Man redete vom sogenannten Aether als ein Medium, in dem sich
elektromagnetische Wellen ausbreiten, und dass die Energie der
elektromagnetischen Wellen leitet...
Eine Reihe von Experimenten (Michelson und Morley:
<http://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-Morley-Experiment) zeigte
letzlich, dass die Idee vom Aether eigentlich Bloedsinn ist.
Man dachte nun, dass die elektromagnetischen Wellen sich einfach
nur im Vakuum ausbreiten und Energie durch das Vakuum transportieren
(man bedenke aber immer, dass wenn irgend wo eine elektromagnetische
Welle - also kein elektrostatisches Feld - entsteht, irgendwo anders
ein Strom fliesen muss !). Dass es elektromagnetische Wellen gibt,
verdanken wir also den geheimnisvollen Eigenschaften des Vakuums und
also den Geheimnissen der Welt !
Warum alles so ist wie es ist und nicht anders, ist ja eine der
grossen Fragen auf die es keine Antwort gibt bzw. geben kann.
Spaeter fand man heraus, dass elektromagnetische Wellen sich in
einer gekruemmten (im mathematischen Sinne) Raum-Zeit bewegen ! So
kann z.B.die Sonne, die eine grosse Masse besitzt, elektromag-
netische Wellen biegen und deren normale Ausbreitung kruemmen.
Einsteins Relativitaetstheorie gibt Erklaerungen ueber diese
Phaenomene.
Die Quantenmechanik zeigt aber, dass eine elektromagnetische Welle
in manchen Situationen eigentlich gar keine Welle ist (hier liegt
auch wieder ein mathematischer Begriff zugrunde...), sondern
ein Strom von Teilchen (ohne Masse), die sogennanten Photonen.
Heute nimmt man also an, dass eine elektromagnetische Welle in
manchen Situationen sich wie eine echte Welle benimmt, die durch
(gekruemmte) Raum-Zeit Dimensionen sich bewegt, und in manch anderen
wie ein Strom von Teilchen, die zum Teil sehr komische Sachen
machen!
Dass heisst es ist nicht einfach eine passende Antwort zu geben,
was eine elektromagnetische Welle eigentlich ist. Einfacher ist es
zu sagen, wie sie sich verhaelt oder wie man sie sich in einer
bestimmten Situation vorstellen sollte !
Auf dem Hintergrund dieser Vorstellung ist die philosophische Frage:
kann der Mensch die Welt verstehen oder beschreiben und wie kann man
vereinbaren, dass eine sogenannte objektive Beschreibung der
Realitaet einerseits vom beobachtenden Subjekt unabhaengig sein soll,
andererseits aber gerade von dem Beobachter erstellt wird ?
Nur gut, dass die Physik in der Praxis gut funktioniert. Wenn ich
den Empfaenger einschalte, spielt die Musik !
d) Vierte Stimme
Endlich einmal wieder ein interessanter Lesestoff!
Ich brauche wohl nicht zu betonen, wie sich diese
Einspielung von dem allgemeinen Blabla abhebt, was
man hier in Packet teilweise zu sehen bekommt.
Weiter so!
e) Fuenfte Stimme
Also, die Energie wird immer da übertragen, wo der elektrische
und der magnetische Feldvektor senkrecht aufeinanderstehen.
Ich hoffe, mich an das richtig zu erinnern, was mein Dozent
mal vor 40 Jahren versuchte beizubringen...
Das sollte aber die jetzige Generation von Ingenieuren immer
noch lernen.
Ich bin der Meinung, alles ist "Dielektrikum" mit mehr oder
weniger großer Dielektrizitaetskonstante. Mir war so, die
vom Vakuum waere 1, relativ gesehen.
f) Sechste Stimme
Die Aussage ,,Leistungsuebertragung findet im Dielektrikum um die
Leiter als elektromagnetische Welle statt,, stimmt so nicht.
Es entsteht auch kein elektromagnetisches Feld (jedenfalls nicht
so lange das Kabel in Frequenzbereichen betrieben wird, fuer die es
gedacht ist ).
Die Loesung ist viel einfacher und heisst : Die Energieuebertragung
wird durch hochfrquente Wechselspannungen und Wechselstroeme
geleistet.
Es gilt im Idealfall (Leitung ist richtig abgeschlossen) einfach nur
auf die Kabelparameter zu achten: ohmscher Widerstand des Kupfers,
Art und Staerke des Dielektrikums. Das legt die Kapazitaet fest, der
Durchmesser Innenleiter die Induktivitaet , alles miteinander
die Impedanz ( Scheinwiderstand) des Kabels.
Nix mit Relativitaets- und Quantentheorie, zum Glueck.
Leistung ist Spannung mal Strom , egal ob es Gleichstrom oder
Wechselstrom ist. Natuerlich entsteht beim Stromfluss durch die
Leiter ein Magnetfeld und auch ein elektrisches Feld ( bzw.
bauen sich staendig auf und ab ). Es ergibt sich jedoch kein
elektromagnetisches Feld , dazu braeuchte man eben eine Antenne.
Und genuegend "Freiraum" drum herum, damit sie sich bilden kann.
Das wars in groben Zuegen ,nicht immer gleich zu kompliziert denken.
g) Siebte Stimme
In Rothammels Antennenbuch finden sich Hinweise.
Da steht in der Erklaerung der Goubau-Leitung
,, Die Energie wird im umgebenden Luftraum weitergeleitet ,,.
Vielen Dank fuer die Betrachtungen in physikalischer, mathematischer,
praktischer und auch philosophischer Hinsicht. Bestimmt gibt es weitere
Einschaetzungen zum Thema. Ich bin gespannt.
Vy 73 de Peter, DJ5CA, 13.3.2008
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