Vom Feld zum Ton

From Field to Sound

Physik Klasse 12 10 Aufgaben
SchwingkreisWellenKerncurriculum

Der Empfangskreis liefert eine saubere Hochfrequenzschwingung — aber noch keine Musik. Beim Sender prägt das Mikrofonsignal der Trägerwelle seine Lautstärke auf: Die Musik sitzt als langsame Amplitudenänderung (Hüllkurve) auf der schnellen Trägerschwingung (Amplitudenmodulation). Im Empfänger schneidet eine Diode eine Halbwelle ab und ein Tiefpass glättet die Trägerreste — übrig bleibt die Hüllkurve, das Tonsignal für den Kopfhörer. Der historische Detektorempfänger tut genau das ohne jede Batterie: Die gesamte Energie stammt aus der Welle. Senderseitig hält die Meißner-Rückkopplung die ungedämpfte Trägerschwingung am Laufen — der Schwingkreis steuert über eine Koppelspule selbst den Schalter (Triode/Transistor), der ihm im richtigen Takt Energie nachliefert.

Können & Üben

Schwingkreis-und-Wellen-Werkstatt — vom LC-Kreis zum Licht

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90 min · once

physiksaal

Vier Stationen nach dem Prinzip Vermuten – Beobachten – Erklären in Kleingruppen, Rotation nach etwa 20 Minuten. Roter Faden: Dieselbe Schwingung, die im LC-Kreis pendelt, läuft am Ende als Welle durch den Raum — und wird zweimal vermessen, bei 3 cm und bei 650 nm. Station 1 — LC-Entladung am Interface. Vermuten: Der geladene Kondensator wird statt über einen Widerstand über eine Spule entladen — was zeigt die Spannungskurve? Beobachten: Statt des exponentiellen Abfalls entsteht eine gedämpfte Schwingung; U und I sind um eine Viertelperiode versetzt. Mit halber Kapazität steigt die Frequenz um den Faktor Wurzel 2, der Eisenkern in der Spule senkt sie — Thomson-Check gegen T = 2π·Wurzel(L·C). Erklären: Feldenergie des Kondensators und des Spulenfelds pendeln hin und her, wie Feder und Masse. Modellgrenze: Der Spulenwiderstand dämpft — die Thomson-Gleichung gilt streng nur für den ungedämpften Kreis. Sicherheitshinweis: Kondensatoren vor jedem Umbau entladen. Station 2 — Resonanz und Rückkopplung. Vermuten: Der Funktionsgenerator regt den Kreis induktiv an — bei welcher Frequenz wird die Amplitude maximal? Beobachten: Beim Durchfahren der Erregerfrequenz wächst die Amplitude scharf um f0 herum an; die Resonanzkurve wird punktweise aufgenommen. Dann übernimmt der Meißner-Baustein: Die Schwingung hält sich selbst ungedämpft, weil die Rückkopplung im richtigen Takt Energie nachschiebt. Erklären: Resonanz heißt Anregung mit der Eigenfrequenz; die Rückkopplung ersetzt den äußeren Erreger durch Selbststeuerung. Modellgrenze: Auch die Meißner-Schaltung erzeugt keine Energie — sie dosiert nur die Nachlieferung aus der Quelle. Vorbereitung oder Nachbereitung: der Radio-Empfänger-Artikel in der App — dort wählt genau diese Resonanz aus allen Sendern einen aus. Station 3 — Dipol und Mikrowellenstrecke. Vermuten: Kommt hinter einem Drahtgitter, dessen Stäbe parallel zum Empfangsdipol stehen, noch Signal an? Und wo liegen vor einer Metallwand die stillen Stellen? Beobachten: Sender und Empfänger nur bei paralleler Ausrichtung gekoppelt (lineare Polarisation); das gedrehte Gitter sperrt bzw. öffnet den Weg. Vor der Metallplatte findet der wandernde Empfangsdipol Knoten im Abstand von etwa 1,6 cm — stehende Welle, λ = 3,2 cm; das Sandprisma knickt den Strahl (Brechung). Erklären: Der schwingende Dipol strahlt eine Transversalwelle ab, die sich wie Licht reflektieren, brechen und polarisieren lässt; aus dem Knotenabstand folgt λ = 2 · 1,6 cm. Modellgrenze: Das Empfangssignal misst Intensität, nicht Feldstärke — Knoten heißt "kein Empfang", nicht "kein Feld dahinter". Sicherheitshinweis: Nicht in die Hornantenne blicken. Station 4 — Laser und Gitter. Vermuten: Das Gitter mit der kleineren Gitterkonstante — rücken seine Leuchtpunkte enger oder weiter auseinander? Beobachten: Hinter dem Gitter erscheint eine Reihe scharfer Maxima; mit Maßband und Schirm-Maßstab werden Abstände gemessen und über b·sin(α) = k·λ die Laserwellenlänge bestimmt, dann eine unbekannte Lichtquelle vermessen. Erklären: Gleiche Interferenzlogik wie bei den Mikrowellen in Station 3 — nur ist λ hier um den Faktor 50 000 kleiner, darum braucht es Gitter statt Metallplatten. Sicherheitshinweis: Laser nie in Augen oder auf reflektierende Flächen richten, Strahl unter Augenhöhe führen. Abschluss in der Runde: Eine Kette bilden — LC-Kreis, offener Kreis als Dipol, abgestrahlte Welle, Licht. An welcher Stelle der Kette wurde welche Größe (f, λ, c) gemessen, und passt c = λ·f?

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4–16

Der Schwingkreis hat aus dem Gewirr eine einzige, saubere Hochfrequenzschwingung herausgesiebt — sagen wir 95 Millionen Schwingungen pro Sekunde. Aber Moment: Das ist eine reine Sinuskurve, immer gleich, immer dieselbe Frequenz. Wo um alles in der Welt steckt darin die Musik?

Die Antwort beginnt beim Sender. Die schnelle Schwingung, die der Sendemast abstrahlt, heißt Trägerwelle — sie trägt, was man ihr auflädt. So sieht sie unbeladen aus:

Stufe 1 — die unbeladene Trägerwelle t

Nun spricht jemand ins Mikrofon. Das Mikrofonsignal ist viel zu langsam, um selbst als Welle abgestrahlt zu werden — aber es kann die Lautstärke des Trägers steuern: Ist der Ton gerade laut, sendet der Mast stärker; ist er leise, schwächer. Die Amplitude des Trägers wird im Takt der Musik größer und kleiner — Amplitudenmodulation (AM). Die Musik sitzt jetzt als langsame Hüllkurve auf der schnellen Schwingung:

Stufe 2 — der modulierte Träger t

Genau dieses Signal steht nach dem Sieben an unserem Empfangskreis. Ein Kopfhörer direkt daran bleibt trotzdem stumm — sag zuerst voraus, warum. Zwei Gründe: Die Membran kann den 95 Millionen Schwingungen nicht folgen, und selbst wenn sie es könnte — im zeitlichen Mittel ist das Signal null, jede positive Halbwelle hat ihr negatives Spiegelbild. Die Hüllkurve muss erst vom Träger heruntergeholt werden.

Schritt eins: eine Diode. Sie lässt Strom nur in eine Richtung durch und schneidet damit alle negativen Halbwellen ab. Das Mittel ist jetzt nicht mehr null — es folgt der Hüllkurve:

Stufe 3 — nach der Diode: gleichgerichtet t

Schritt zwei: ein Tiefpass — im einfachsten Fall ein kleiner Kondensator parallel zum Kopfhörer. Er glättet die schnellen Zacken weg, so wie ein träges Thermometer nur den Tagesmittelwert zeigt und nicht jeden Windstoß. Übrig bleibt die Hüllkurve allein — das Tonsignal, langsam genug für die Membran:

Stufe 4 — nach dem Tiefpass: die Hüllkurve, der Ton t

Antenne, Schwingkreis, Diode, Tiefpass, Kopfhörer — das ist der komplette Detektorempfänger, das Radio der ersten Stunde. Das Verblüffendste daran: Er braucht keine Batterie. Jedes Watt, das im Kopfhörer ankommt, hat der Sendemast abgestrahlt und die Antenne eingefangen. Generationen von Bastlern haben mit einem Draht, einem Kristall und einem Kopfhörer Radio gehört — Energieversorgung: die Welle selbst. Ein schöneres Argument dafür, dass elektromagnetische Wellen Energie durch den Raum tragen, gibt es nicht.

Bleibt ein letzter Blick zurück zum Sender: Woher kommt dort die ungedämpfte Trägerschwingung? Ein sich selbst überlassener Schwingkreis stirbt ja aus — die Dämpfung frisst jede Schwingung auf. Die Lösung kennst du aus dem Resonanz-Kapitel — die Meißner-Rückkopplung: Der Schwingkreis steuert über eine Koppelspule selbst den Schalter (Triode oder Transistor), der ihm im richtigen Takt Energie aus einer Quelle nachschiebt — wie beim Schaukeln, wo man im richtigen Moment die Beine anzieht. So läuft der Träger ungedämpft, Tag und Nacht, und die Musik moduliert nur seine Amplitude.

Damit ist die Kette geschlossen: Mikrofon → Modulation → Trägerwelle → alle Antennen der Stadt → dein Schwingkreis in Resonanz → Diode → Tiefpass → Ton. Das Radio empfängt nicht einen Sender — es empfängt alle und antwortet nur einem.

Leicht
Multiple Choice #1 20s â–¶ Testen

Wo steckt bei einem AM-Sender die Musik im abgestrahlten Signal?

  • â—Ź In der langsamen Ă„nderung der Amplitude der Trägerwelle (HĂĽllkurve)
  • â—‹ In der Frequenz der Trägerwelle, die im Takt der Musik schwankt
  • â—‹ Die Musik läuft als Schallwelle neben der Trägerwelle her
  • â—‹ In kurzen Sendepausen zwischen den WellenzĂĽgen
Amplitudenmodulation heißt — das Mikrofonsignal steuert die Stärke des Trägers. Die schnelle Trägerschwingung bleibt bei fester Frequenz; die Musik sitzt als langsame Hüllkurve auf ihrer Amplitude.
Multiple Choice #2 25s â–¶ Testen

Welche Aufgabe hat die Diode im Detektorempfänger?

  • â—Ź Sie lässt nur eine Stromrichtung durch, sodass das Signal nicht mehr im Mittel null ist
  • â—‹ Sie verstärkt das schwache Antennensignal
  • â—‹ Sie filtert die Trägerfrequenz aus dem Gewirr der Sender heraus
  • â—‹ Sie wandelt die Wechselspannung direkt in Schall um
Der modulierte Träger hat zu jedem positiven Ausschlag ein negatives Spiegelbild — im Mittel null, für den Kopfhörer unhörbar. Die Diode schneidet eine Halbwellenseite ab; erst dann folgt der Mittelwert der Hüllkurve. Das Aussieben des Senders hat vorher schon der Schwingkreis erledigt.
Wahr / Falsch #3 15s â–¶ Testen

Ein Detektorempfänger (Antenne, Schwingkreis, Diode, Tiefpass, Kopfhörer) funktioniert ohne Batterie.

âś“ Wahr
Die gesamte Energie im Kopfhörer stammt aus der aufgefangenen Welle — der Sendemast hat sie abgestrahlt, die Antenne eingesammelt. Genau das macht den Detektorempfänger zum schönsten Beleg dafür, dass elektromagnetische Wellen Energie durch den Raum transportieren.
Multiple Choice #4 20s â–¶ Testen

Nach der Diode enthält das Signal noch die schnellen Zacken des Trägers. Was macht der Tiefpass (Kondensator parallel zum Kopfhörer) daraus?

  • â—Ź Er glättet die schnellen Trägerreste weg — ĂĽbrig bleibt die langsame HĂĽllkurve
  • â—‹ Er verstärkt die hohen Frequenzen, damit sie hörbar werden
  • â—‹ Er schneidet auch die positiven Halbwellen ab
  • â—‹ Er verschiebt die Trägerfrequenz in den hörbaren Bereich
Der Kondensator kann den millionenfach schnellen Zacken nicht folgen und mittelt sie weg — wie ein träges Thermometer, das nur den Tagesmittelwert zeigt. Was durchkommt, ist die langsame Hüllkurve, das Tonsignal.
Multiple Choice #5 20s â–¶ Testen

Bei einem UKW-Sender mit Frequenzmodulation (FM) steckt die Musik …

  • â—Ź in der Frequenz des Trägers, die im Takt der Musik leicht schwankt
  • â—‹ in der Amplitude des Trägers, die im Takt der Musik schwankt
  • â—‹ in einer Schallwelle, die neben der Radiowelle mitläuft
Bei FM bleibt die Amplitude konstant; die Trägerfrequenz wird im Takt des Tonsignals ein wenig hin- und hergeschoben. Das macht FM unempfindlicher gegen Störungen, die vor allem die Amplitude verändern.
Mittel
Multiple Choice #1 25s â–¶ Testen

Woher kommt beim Sender die ungedämpfte Trägerschwingung, obwohl jeder sich selbst überlassene Schwingkreis ausschwingt?

  • â—Ź Eine MeiĂźner-RĂĽckkopplung fĂĽhrt dem Kreis im richtigen Takt Energie zu, gesteuert vom Kreis selbst
  • â—‹ Der Sendekreis ist supraleitend und darum völlig ungedämpft
  • â—‹ Die Antenne fĂĽhrt dem Kreis laufend Energie aus der Luft zu
  • â—‹ Der Kondensator des Kreises wird einmal täglich neu aufgeladen
Bei der Meißner-Schaltung greift eine Koppelspule die Schwingung ab und steuert eine Triode bzw. einen Transistor — der Schalter schiebt dem Kreis genau im Schwingungstakt Energie aus der Quelle nach, wie beim Anschwungholen auf der Schaukel. Die Dämpfungsverluste werden so laufend ersetzt.
LĂĽckentext #2 15s â–¶ Testen

Bei der Amplitudenmodulation steckt die Musik in der langsam schwankenden Amplitude des Trägers, seiner ___.

âś“ Antwort: HĂĽllkurve
Das Mikrofonsignal steuert die Stärke des Trägers. Dessen schnelle Schwingung bleibt unhörbar; hörbar wird allein die Hüllkurve, die Diode und Tiefpass zurückgewinnen.
LĂĽckentext #3 15s â–¶ Testen

Im Detektorempfänger lässt die ___ nur eine Stromrichtung durch, sodass das Signal im Mittel nicht mehr null ist.

âś“ Antwort: Diode
Ohne Gleichrichtung heben sich positive und negative Halbwellen im Mittel auf, und der Kopfhörer bliebe stumm. Danach glättet der Tiefpass die Trägerreste weg.
Schwer
Wahr / Falsch #1 20s â–¶ Testen

Könnte eine Kopfhörermembran der Trägerfrequenz von rund 100 MHz folgen, wäre der Träger als sehr hoher Ton hörbar.

âś“ Falsch
Selbst eine ideale Membran würde nicht helfen — das Ohr hört höchstens etwa 20 kHz, und der unmodulierte Träger enthält zudem gar keine Toninformation. Hörbar ist allein die Hüllkurve, die Diode und Tiefpass zurückgewinnen.
Wahr / Falsch #2 15s â–¶ Testen

Ohne Diode bliebe der Kopfhörer im Detektorempfänger stumm, weil sich positive und negative Halbwellen des Signals im Mittel aufheben.

âś“ Wahr
Die Membran kann der Trägerfrequenz nicht folgen und reagiert nur auf den Mittelwert — und der ist ohne Gleichrichtung null. Erst die Diode lässt eine Halbwelle durch, deren Mittelwert der Musik folgt.