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2.8 Das erste Induktionsgesetz

Im Abschnitt zuvor wurde gezeigt, das schwingende Dipole - also elektrisch neutrale Objekte - Wellen abstrahlen, die sich in jedem beliebig gleichförmig bewegten Bezugssystem - man spricht von einem Inertialsystem - mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Ordnet man solche schwingen Dipole in einer Reihe an, so überlagern sich die Kugelwellen aller Einzeldipole. Die resultierende Welle hat dann, wie in Animation 2.8.1 zu sehen ist, eine deutlich einfachere Form.

Abbildung 2.8.1: Stabantenne und deren abgestrahlte Welle aus Sicht eines ruhenden Empfängers.

Solche in Längsrichtung schwingenden Reihen von Dipolen haben in der Technik eine geradezu überragende Bedeutung. Es handelt sich hier nämlich einfach um Wechselstrom. Der von einem Wechselstrom in einem langen geraden Leiter abgestrahlte Wellentyp wird als Transversalwelle bezeichnet, weil die elektrische Feldstärke aus der Perspektive eines ruhenden Empfängers immer quer zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Die Frequenz der Welle stimmt dabei mit der Frequenz des Wechselstroms überein.

Die bei diesen Wellen schwingende Größe ist die elektrische Feldstärke. Zur Erinnerung sei erwähnt, dass die elektrische Feldstärke die elektrische Kraft auf ein Objekt geteilt durch dessen Ladung ist. Das bedeutet, dass auf Ladungen, die sich im Weg dieser Wellen befinden, Kräfte einwirken. Dies gilt auch für Dipole, die zwar nach außen hin elektrisch neutral sind, in ihrem Inneren aber zwei gegensätzlich gleich große Ladungen enthalten, die jeweils separat auf elektrische Felder reagieren. Ein Dipol wird durch ein elektrisches Feld also auseinander gezogen, oder falls der Abstand zwischen den Ladungen unveränderlich ist, gedreht.

Abbildung 2.8.2: Der Wechselstrom im linken Draht induziert einen Wechselstrom im rechten Draht.

Abbildung 2.8.2 verdeutlicht das. Zu sehen ist der gleiche Leiter oder Draht, welcher schon in Abbildung 2.8.1 gezeigt wurde. Zusätzlich befindet sich aber noch ein weiterer Draht rechts daneben im Bild. Wie zu sehen ist, schwingenden die Dipole hier zu Anfang nicht. Das ändert sich, nachdem die elektrische Welle die Distanz zwischen Primärleiter und Sekundärleiter überwunden hat. Der resultierende Sekundärstrom hat dann die gleiche Frequenz wie der Primärstrom. Man nutzt diesen traditionell als elektromagnetische Induktion bezeichneten Effekt äußerst intensiv in allen Bereichen der modernen Technik.

Eine besonders wichtige technische Anwendung ist die kabellose Informationsübertragung (WLAN, Radio, Satellitenkommunikation, Mobilfunk). Die in Abbildung 2.8.2 dargestellten Drähte werden in diesem Anwendungsgebiet als Antennen bezeichnet. Lässt man durch die Sendeantenne (links) einen Wechselstrom fließen, so wird dieser nach einiger Zeit auch in der Empfangsantenne induziert. Die resultierenden Ladungsverschiebungen kann man in Form von Spannungsänderungen detektieren, verstärken und dann interpretieren. Die übertragene Information kann auf verschiedene Weisen codiert werden, früher häufig durch eine Änderung der Frequenz (Frequenzmodulation) oder durch eine Änderung der Schwingungsauslenkung (Amplitudenmodulation). Heutzutage wird aber meist der Strom einfach nur extrem schnell an- und abgeschaltet, was jedoch nur bei sehr hohen Sendefrequenzen sinnvoll ist. Die eigentliche Information steckt dann in einer Folge aus Nullen und Einsen.

Es muss an dieser Stelle der Vollständigkeit halber erwähnt werden, dass es neben dem eben beschriebenen Induktionsgesetz noch ein zweites gibt, welches traditionell nicht von dem hier beschrieben unterschieden wird. Bei dieser anderen Form wird ein elektrischer Leiter in einem zeitlich unveränderlichen Magnetfeld bewegt. Auch hier kann es zu einem Stromfluss kommen. Wie später im Abschnitt Magnetismus klar werden wird, entsteht auch diese Induktionsform direkt aus dem Quantinomechanismus und den einfachen Regeln des Abschnitts Grundannahmen der Quantinotheorie.