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Reflexion von Mikrowellen
 
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conge



Anmeldungsdatum: 05.09.2008
Beiträge: 7

Beitrag conge Verfasst am: 05. Sep 2008 20:32    Titel: Reflexion von Mikrowellen Antworten mit Zitat

Hi

Ich schreibe in der nächsten Woche eine Physikklausur und habe einen Zettel mit Übungsaufgaben, aber unglücklicherweise werden wir nicht mehr dazu kommen den zu besprechen.
Die meisten Sachen konnte ich schon klären, aber halt nicht alle.

Die fragliche Aufgabe:

Trifft eine Mikrowelle auf eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehende Metallplatte, so wird die Welle in sich reflektiert; es bildet sich eine stehende elektromagnetische Welle aus.
a) Erläutern Sie, wieso eine Metallplatte eine elektromagnetische Welle vollständig reflektiert und warum sich eine stehende Welle ergibt (ohne Skizze).
b) Warum muss die Metallplatte erheblich größer als die Wellenlänge sein ?
c) Zwischen Sender und Metallplatte wird ein Empfänger so aufgestellt, dass das an ihn angeschlossene Messinstrument ein Minimum anzeigt. Dann wird zwischen Reflektorplatte und Empfänger ein Holzklotz gelegt.
Der Empfänger zeigt nun kein Minimum mehr an. Erklären Sie dies!


Bei a) und c) kenn ich die Lösung. Ob ich sie physikalisch richtig erklären kann ist eine andere Sache Big Laugh

Das Problem ist b). Könnt ihr da helfen?

Vielen Dank
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 06. Sep 2008 00:39    Titel: Antworten mit Zitat

Magst du am besten mal hier verraten, was du schon zur a) herausgefunden hast? Denn auf dem dabei Verstandenen baut die b) natürlich auf smile
conge



Anmeldungsdatum: 05.09.2008
Beiträge: 7

Beitrag conge Verfasst am: 06. Sep 2008 14:18    Titel: Antworten mit Zitat

Die Mikrowelle trifft auf die Metallplatte. Die Elektronen in der Metallplatte werden durch die Welle "bewegt". Die erzwungene Schwingung ist wesentlich größer als die Eigenschwingung der Platte. Das führt zu einem Phasensprung. Nun sendet die Platte gegenphasig auch eine Welle aus (mit gleicher Frequenz usw.) Diese Welle überlagert die Orginalwelle hinter der Platte => die beiden löschen sich aus. Vor der Platte addieren sich die beiden Wellen => es entsteht eine stehende Welle.
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 07. Sep 2008 01:04    Titel: Antworten mit Zitat

Das hört sich schon mal ganz gut an smile

Magst du damit nun mal für die b) weiterüberlegen?

Welche Eigenschaft der Welle sorgt dafür, dass sich die Elektronen hin- und herbewegen?

Was würdest du sagen, wie weit werden die Elektronen in der Platte hin- und herbewegt, wenn du mal davon ausgehen möchtest, dass sich diese Elektronen fast mit einer ähnlichen Geschwindigkeit bewegen können wie die einfallende Welle?
conge



Anmeldungsdatum: 05.09.2008
Beiträge: 7

Beitrag conge Verfasst am: 07. Sep 2008 12:01    Titel: Antworten mit Zitat

Die Elektronen werden durch das elektrische Feld bewegt.

Ich vermute die Elektronen werden ähnlich weit ausgelenkt wie die einfallende Welle. Allerdings bräuchte ich noch irgendeinen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Amplitude, oder?

Wie könnte man die Antwort zu Aufgabe a) denn noch verbessern?
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 07. Sep 2008 12:05    Titel: Antworten mit Zitat

Was ist die Amplitude einer solchen elektromagnetischen Welle? Das ist ja nix in cm, wie bei einer Seilwelle oder so, sondern bezieht sich auf eine andere Größe. Weißt du schon, auf welche?
conge



Anmeldungsdatum: 05.09.2008
Beiträge: 7

Beitrag conge Verfasst am: 07. Sep 2008 16:18    Titel: Antworten mit Zitat

Nein, leider nicht.

Aber das muss ja alles irgendwie mit der Wellenlänge zusammenhängen, weil die Platte muss deutlich größer sein als die Wellenlänge.

Ich weiß das für die erste Eigenschwingung gilt:



Hilft das?

Ich muss das bis morgen verstanden haben Hilfe
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 07. Sep 2008 23:51    Titel: Antworten mit Zitat

Die Auslenkung und Amplitude einer solchen elektromagnetischen Welle sind natürlich keine Längen in cm, sondern die Stärke des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Welle.

Dieses elektrische Feld beschleunigt die Elektronen in der Platte hin und her.

Denn während die Auslenkung des elektrischen Feldes in der Welle positiv ist, werden die Elektronen in der Platte in die eine Richtung beschleunigt, während die Auslenkung des elektrischen Feldes der Welle negativ ist, werden die Elektronen in der Platte nach unten beschleunigt.

Was würdest du grob abschätzen, wieviel Platz werden diese Elektronen ungefähr benötigen, um sich ungestört hin- und herbewegen zu können und dadurch die Mikrowelle zu reflektieren? Wie könnte man dafür sorgen, dass ihnen dieser Platz zur Verfügung steht? Wie könnte man dafür sorgen, dass ihnen dieser Platz nicht mehr zur Verfügung steht und sie die Mikrowelle nicht mehr so gut reflektieren?
conge



Anmeldungsdatum: 05.09.2008
Beiträge: 7

Beitrag conge Verfasst am: 08. Sep 2008 16:06    Titel: Antworten mit Zitat

Ich schätze die Elektronen brauchen ungefähr so viel Platz wie die Auslenkung der elektrischen Welle. Wie ist denn das Verhältnis zwischen Wellenlänge und Wellenamplitude?

Um so größer man die Platte macht umso mehr Platz haben die Elektronen. Wenn man die Platte verkürzt, dann haben sie nicht genug Platz und die elektrische Welle wird nicht reflektiert.

Aber welche Rolle spielt die Wellenlänge? Die Platte muss ja größer sein als die Wellenlänge.
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 08. Sep 2008 18:07    Titel: Antworten mit Zitat

conge hat Folgendes geschrieben:
Ich schätze die Elektronen brauchen ungefähr so viel Platz wie die Auslenkung der elektrischen Welle. Wie ist denn das Verhältnis zwischen Wellenlänge und Wellenamplitude?

Nochmal: Die Wellenamplitude hat die Einheit des elektrischen Feldes (Volt pro Meter), und Platz hat die Einheit einer Länge.

Deshalb kann es kein einfaches Längenverhältnis zwischen "Wellenamplitude" und Wellenlänge geben, wie du es dir vorzustellen scheinst.

Um dieser Sache auf die Spur zu kommen, musst du also genauer hinschauen.

Zum Beispiel anschauen, wie das elektrische Feld der Welle die Elektronen beschleunigt. Und zum Beispiel anschauen (vielleicht mit einer Skizze für die Welle mit ihrer Wellenlänge, ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, ...), wie lange das elektrische Feld der Welle, während die Welle auf die Platte trifft, in dieselbe Richtung zeigt, bevor sich seine Richtung umdreht.
wishmoep



Anmeldungsdatum: 07.09.2008
Beiträge: 1342
Wohnort: Düren, NRW

Beitrag wishmoep Verfasst am: 08. Sep 2008 18:17    Titel: Antworten mit Zitat

Schließt sich doch auch aus, oder?

Die Wellenlänge definiert sich über die Frequenz; die Amplitude ist lediglich die Elongation mit dem größten Wert.

A lá Sinus-Funktion.

sin(x) hat eine Frequenz von 1Hz, eine Wellenlänge von 2pi und eine Amplitude von 1.

Oder ganz abwegig? smile
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 08. Sep 2008 18:40    Titel: Antworten mit Zitat

Eher abwegig, denn dein Einwurf enthält ein paar Fehler, die hier mehr verwirren als helfen dürften.

Natürlich kann es hier nicht schaden, die verschiedenen möglichen Eigenschaften einer Welle zu kennen und verstanden zu haben.

Aber

* die Wellenlänge kann man auch einfach als den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen definieren, wenn man mag.

* das sin(x) ist keine Welle, sondern bestenfalls eine Momentanaufnahme einer Welle (denn der Formelausdruck für eine Welle enthält auch eine Zeitabhängigkeit). Daran kann man nicht die Frequenz der Welle ablesen.

* Sowohl deiner Wellenlänge als auch deiner Wellenamplitude fehlt die Einheit. Ich würde hier nicht empfehlen, mit irgendwelchen abstrakten einheitenlosen Wellen anzufangen, da wir die Einheiten für unsere Betrachtung in diesem Thread hier dringend brauchen.
conge



Anmeldungsdatum: 05.09.2008
Beiträge: 7

Beitrag conge Verfasst am: 08. Sep 2008 18:50    Titel: Antworten mit Zitat

So, ich habe neue Erkenntnisse. Du kannst ja sagen ob sie nicht komplett abwegig sind^^

Die Metallplatte muss eine deutlich niedrigere Eigenfrequenz haben als die Erregerfrequenz um eine erzwungene Schwingung zu erzeugen, die dann eine Welle erzeugt, die gegenphasig zur Erregerwelle ist.
Um so größer die Metallplatte ist, desto größer ist auch die Wellenlänge, die zur Eigenfrequenz passt, da ist. Damit sinkt die dazu passende Frequenz, da ist (c ist konstant).
Das heißt wenn die Metallplatte deutlich größer als die Wellenlänge der Erregerwelle ist, dann kommt zu einem Phasensprung von .
Erklärung für den Phasensprung. Ein Elektron wird durch das elektrische Feld in Richtung v angeregt. Wenn das Elektron sich in Richtung v bewegt, dann hat sich das elektrische Feld schon wieder verändert und möchte das Elektron in Richtung -v bewegen. Wenn sich das Elektron in Richtung -v bewegt, dann zeigt das elektrische Feld schon wieder in die andere Richtung => die Metallplatte erzeugt eine gegenphasige Welle.
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 08. Sep 2008 21:31    Titel: Antworten mit Zitat

Einverstanden, ich finde, diese Erklärung trifft voll ins Schwarze smile

Wenn du bereits weißt, wie die Eigenfrequenz der Metallplatte mit deren Länge zusammenhängt, dann kommst du damit auf recht direktem und schnellem Weg zum Ziel.

Falls man so etwas noch nicht weiß und sich erst selbst herleiten möchte, dann könnte man sich zum Beispiel anschauen, wie das elektrische Wechselfeld der Welle auf die Platte trifft, wie sich dieses elektrische Feld dann auf dieser Platte hin- und her ausbreitet, und wie dieses elektrische Feld dann die Elektronen in der Platte beschleunigt, u.s.w..
conge



Anmeldungsdatum: 05.09.2008
Beiträge: 7

Beitrag conge Verfasst am: 09. Sep 2008 13:35    Titel: Antworten mit Zitat

Vielen Dank für deine Unterstützung
dermaddin
Gast





Beitrag dermaddin Verfasst am: 17. Mai 2010 20:20    Titel: Antworten mit Zitat

kann dermarkus mir auch Folgendes erklären?

Die stehende Welle ist eine Überlagerung von zwei Wellen.
Beide Wellen haben Energie und Impuls.
Zum Zeitpunkt an dem sich die "Bäuche" der stehenden Welle im Nulldurchgang befinden ist eigentlich "gar keine Welle nachweisbar" da sich E- und B-Felder der einzelnen Wellen aufheben. Wo sind denn Energie und Impuls der Einzelwellen hingekommen? Teufel


dermaddin
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