04. September 2009

Elektromagnetische Schwingungen

Dass das sichtbare Licht aus Schwingungen bestehen soll, ist hinlänglich bekannt; in anderen Frequenzbereichen haben diese Schwingungen auch andere Aufgaben. Sie können sowohl nützlich wie auch schädlich sein. Im Auto treffen wir sie bei Lichtsystemen, wie bei Infrarot- und Radarsensoren, beim Radio- und GPS-Empfang und bei der modernen Datenübertragung mittels Lichtwellenleitern.

Elektromagnetische Schwingungen

der Abstandsradar, wie er in verschiedenen Fahrzeugen der Oberklasse installiert ist, sendet elektromagnetische Strahlung aus und misst die rückgestrahlte Strahlung wieder. Oben links der Sensor und die Elektronik.

Mit der Begründung der Quantentheorie des Lichtes tat Max Planck den ersten Schritt zu einer Umgestaltung des physikalischen Weltbildes. Bis dahin glaubte man, alle natürlichen Veränderungen würden sich kontinuierlich vollziehen. Nach Plancks Theorie wird jedoch bei der Absorption und Emission von Strahlung die Energie sprunghaft umgesetzt.


Elektrisches

Feld Von elektrischen Störfeldern wird viel gesprochen. Einerseits hängt die EMV, die elektromagnetische Verträglichkeit von technischen Maschinen, davon ab und andererseits wird auch die menschliche Gesundheit von derartigen Feldern beeinflusst. Elektrische Felder werden zwischen den isolierten Platten von Kondensatoren aufgebaut. Auch zwischen den Elektroden einer Zündkerze entsteht während dem (kurzzeitigen) Anstieg der Zündspannung ein elektrisches Feld. Dieses wirkt auf die dazwischen liegenden Atome und setzt sie unter höhere Energie. Dadurch können negativ geladene Elektronen aus der Atomhülle weggeschleudert werden, womit sie ein elektrisch leitendes Teilchen, ein Ion zurücklassen. Sind genügend Ionen entstanden, wird die Strecke leitend, der Strom fliesst, bzw. der Zündfunke springt.


Elektronenschalen

Mit Hilfe des Bohr’schen Atommodells können die Vorgänge im Detail überlegt werden, welche in diesen kurzen Momenten auf den Elektronenschalen vor sich gehen. Nils Bohr hat herausgefunden, dass die negativ geladenen Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf genau definierten Bahnen um den Atomkern kreisen. Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Die ungleichnamigen Ladungen von Protonen und Elektronen ziehen sich an. Dass es dabei nicht zu einer Implosion führt, liegt daran, dass die Elektronen mit sehr hoher Geschwindigkeit um den Kern kreisen. Die Geschwindigkeit ist so hoch, dass sich Anziehungskräfte und Fliehkräfte gerade aufheben. Aus diesem Grund werden die Geschwindigkeiten der Elektronen stufenweise von Bahn zu Bahn kleiner; dadurch vermindert sich auch die Energie der kreisenden Elektronen nicht kontinuierlich, sondern sprunghaft. Verlässt ein Elektron seine angestammte Bahn und fällt auf die nächst äussere Bahn, schwingt es sich auf der neuen Bahn wieder etwas ein. Vergleichbar ist das mit dem Sprung eines Tieres von einem Ast zum andern. Beim Absprung wie auch bei der Landung federn die Äste und bewegen sich etwas. Diese Bewegungen bzw. Schwingungen des Elektrons auf der äusseren Schale beeinflussen die Kräfteverhältnisse im Atom und auch in Bezug auf die benachbarten Atome. Deshalb wird diese Energie als elektromagnetische Schwingung oder Strahlung bezeichnet. Die Strahlung ist eine Interaktion von schwingenden Kraftwirkungen zwischen verschiedenen Atomen und breitet sich auch im Vakuum, also ohne Luft aus. 


Energieniveaus

Die Idee der Energieniveaus kann mit mechanischen Beispielen erklärt werden. Wird in der Werkstatt ein Fahrzeug mit der Hebebühne angehoben, wird ihm potenzielle Energie zugeführt. Wird der Weg dahin ausgeblendet, hat das am Boden stehende Auto keine potenzielle Energie, auf dem Lift dagegen schon. Diese Stufenansicht ist mit Elektronen im Bild 4 dargestellt. Auf der innersten Schale (Grundzustand) ist das Energieniveau im negativen Maximum. Von Elektronenbahn zu Elektronenbahn nähert sich danach mit der Entfernung zum Kern das Energieniveau dem Nullpunkt. Werden diese Elektronensprünge erzwungen, werden auch immer elektromagnetische Strahlungen frei. Die Grösse der Abstufungen hängen vom Element ab. Das bedeutet, dass ein Quecksilberatom andere elektromagnetische Strahlungen freisetzt als ein Natriumatom. Die Strahlungen unterscheiden sich in ihren Frequenzen und anhand dieser Frequenzen können bei einer Spektralanalyse die Elemente herausgefunden werden. 


Frequenzen und Wellenlängen

Die verschiedenen Strahlungsfrequenzen werden auch mit Wellenlängen verglichen (Bild 5). Die Wellenlänge stellt die Länge einer Schwingungsperiode (= ein vollständiger Schwingungsdurchgang) dar. Da sich die elektromagnetischen Schwingungen (= Strahlung) sowohl im luftleeren Raum, wie auch in der Atmosphäre und in anderen Medien ausbreiten können, weisen sie eine Ausbreitungsgeschwindigkeit auf. Mit dieser Geschwindigkeit kann die Beziehung zwischen der Frequenz und der Wellenlänge hergestellt werden: λ = v / f λ: Wellenlänge [m] v: Ausbreitungsgeschw. [m/s] f: Frequenz [Hz] Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung beginnt bei einer Frequenz von wenigen Hertz, durchläuft die Frequenzen des bekannten Stromnetzes, geht über Radio, Fernseh- und Funkfrequenzen zu den Mikrowellen, durchstösst den Infrarotbereich und kommt damit zum sichtbaren Licht. Dies bei Wellenlängen von einigen hundert Nanometern oder einer halben Billiarde Hertz. Darüber sind noch das ultraviolette Licht, die Röntgen und die Gammastrahlen bekannt.


Sichtbares Licht

Die Farben des sichtbaren Lichtes sind wiederum abhängig von der Wellenlänge (Bild 5). Im Bereich von 400 nm kommt das Licht aus dem unsichtbaren ultravioletten in den Bereich des sichtbaren Lichtes. Da ist es zunächst auch violett, geht dann über blau (um 450 nm), grün (500 nm) und einem schmalen gel ben Band (580 nm) nach rot (> 600 nm). Nach der roten Farbe wird der sichtbare Bereich wieder von unsichtbaren Bereichen, beginnend mit dem Infrarotbereich, abgelöst. Das ultraviolette Licht kann in Wellenbereichen unter 315 nm Augenentzündungen auslösen (bekannt bei Schweissarbeiten). Unterhalb von 260 nm wirkt es sogar sterilisierend, indem es Bakterien abtötet. Das ebenfalls unsichtbare infrarote Licht im Wellenbereich zwischen 180 und 100000 nm bildet eine eigentliche Wärmestrahlung und wird bei Wärmelampen eingesetzt. Daneben können mit Filmen, welche auf infrarotes Licht empfindlich sind, Wärmebilder von Motoren gemacht werden. Darauf kann erkannt werden wo wie viel Wärme abgestrahlt wird. 


Farbtemperatur

Werden die verschiedenen aktuellen Scheinwerferlampen miteinander verglichen, so fehlen die Werte der Farbtemperatur selten. Diese kommt von einem schwarzen Körper (z.B. Kohlestab), und sagt aus, auf welche Temperatur dieser Stab erwärmt werden muss, dass er genau mit der entsprechenden Glühfarbe leuchtet. Die Farbtemperatur wird in der Einheit Kelvin [K] angegeben. Die alten Bilux-Lampen erreichen Farbtemperaturen von knapp 2500 K, die Halogenlampe bereits 3000 K, die Gasentladungslampe liegt zwischen 4500 und 5000 K und die neuen Scheinwerfer mit Leuchtdioden strahlen mit gegen 5500 K eine bisher unbekannte Helligkeit aus. Das Sonnenlicht bietet sich natürlich als Referenz an und es wäre wünschenswert, wenn es auch in der Nacht vor unseren Autos «taghell » wäre. Dazu wären aber mindestens 6000 K nötig. 


Lichttechnische Grössen

Lichtquellen oder Leuchtmittel haben die Aufgabe, zugeführte elektrische Energie in Lichtenergie zu verwandeln. Diese wird als elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich von der Glühwendel nach allen Richtungen abgestrahlt und bildet so in der Summe aller Lichtstrahlen den Lichtstrom eines Leuchtmittels. Die Einheit des Lichtstromes Φ ist Lumen [lm]. Wird senkrecht auf eine bestromte Leuchtdiode geschaut, kann diese das Auge – je nach LED-Ausführung – sogar blenden. Von der Seite betrachtet, ist ihre Helligkeit bescheiden. Konstruktionsbedingt strahlt die Leuchtdiode nicht gleich viel Licht nach allen Seiten. Die Lichtstärke eines Leuchtmittels gibt an, wie viele Lichtstrahlen in einem bestimmen Raumwinkel (= von der Lampe wegweisenden Kegel) ausgesendet werden. Die Einheit der Lichtstärke Ι ist die Candela [cd]: Ein Teil des Lichtstromes der Werkstattlampe fällt auf die Werkbank. Ist die beleuchtete Fläche genau 1 m2, kann ein spezifischer Lichtstrom gebildet werden: Wie viele Lumen treffen auf diesen Quadratmeter Werkbank? Dazu können neben dem Leuchtmittel selber auch noch Lampenschirme oder Reflektoren benutzt werden. Diese reflektieren den Lichtstrom, welcher in eine «falsche» Richtung abgestrahlt wird. So kann die Beleuchtungsstärke auf der Werkbank erhöht werden. Die Einheit der Beleuchtungsstärke Ε ist das Lux [lx]. Ein Luxmeter ist ein Messinstrument, welches mittels eines lichtabhängigen Widerstandes die Beleuchtungsstärke auf der Werkbank messen kann. Mit dem Luxmeter kann auch die Vorfeldausleuchtung eines Autos gemessen werden.


Lichtverteilung

Das asymmetrische Abblendlicht wurde in der Schweiz vor etwa 50 Jahren eingeführt. Seither müssen Abblendlichter den rechten Strassenrand besser ausleuchten als die linke Fahrbahn. Damit soll die Sicherheit so verbessert werden, dass Fussgänger bereits früh erkannt werden, der entgegenkommende Verkehr hingegen nicht geblendet wird. Das ist jedoch mit den immer heller werdenden Leuchten in den Scheinwerfergehäusen zum schwierigeren Unterfangen geworden. Nicht nur die Leuchtmittel wurden in den letzten Jahren verbessert, auch die Scheinwerfersysteme. Weiter oben wurde beschrieben, dass mittels Lampenschirmen oder Reflektoren die Beleuchtungsstärke an den gewünschten Stellen verbessert wird. Reflektoren können die Leuchtmittel mehr oder weniger umschliessen und damit auch mehr oder weniger Licht einfangen und zur Strassenbeleuchtung umlenken. Mit gut geformten Reflektoren und zusätzlichen Raffinessen (vgl. AUTO&Technik 11/2008) gelingt es heute mit gutem Wirkungsgrad, das Licht genau so zu verteilen, wie es gewünscht ist (Bild 8). Die Linien vor dem Auto bedeuten keine Höhenkurven, sondern Helligkeitskurven. Das heisst, unmittelbar vor dem Fahrzeug wird der Boden mit 32 Lux beleuchtet. Diese Luxzahl vermindert sich, bis 150 m vor dem Auto nur noch 0.5 Lux herrschen. Es ist sinnvoll, dass die Helligkeit allmählich abnimmt und nicht unmittelbar, sonst würden Automobilisten ständig in ein «schwarzes Loch» fahren.


Lichtwellenleiter

Seit einiger Zeit wird das Licht im Auto nicht nur dazu verwendet, die Sicht der Insassen zu verbessern, sondern auch zur schnellen Datenübertragung. Autos stellen heute vielfach komplexe Netzwerke verschiedener Rechner, Sensoren und Aktoren dar, welche mit unterschiedlichen Taktfrequenzen und verschiedenen Prioritäten miteinander kommunizieren. Wichtig bleibt, dass alles funktioniert und dass Fahrer und Beifahrer von der ganzen Technik nichts merken. Dazu tragen Lichtleiter einiges bei. Gegenüber Kupferleitungen können die Glasfaser- oder Kunststofffäden Signale mit höheren Frequenzen übertragen. Da die Signale während der Übertragung weniger gedämpft werden, erreichen sie den Empfänger in besserer Qualität. Das Verlegen von Lichtwellenleitern ist heute ebenso problemlos wie im Falle von Kupferkabeln. Die Störanfälligkeit durch die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit), also durch die Störung anderer elektromagnetischer Strahlungen, ist bei Lichtwellenleitern vernachlässigbar. Zudem sind die Leiter leichter und haben keine korrodierenden Steckverbindungen. 


Aufbau

Ein optisches Datenübertragungssystem besteht in seiner Grundausführung aus drei Komponenten: der Signalquelle mit einem elektro-optischen (E/O-) Wandler, dem Übertragungsmedium (Lichtwellenleiter) und dem Signalempfänger mit dem elektro- optischen Empfänger (O/EWandler). Der E/O-Wandler wird von einem digitalen Steuergerät angesteuert und «beleuchtet» den Lichtwellenleiter mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht. Der Leiter muss die Signale möglichst verlustfrei zum Empfänger transportieren. Im O/E-Wandler wird das Licht durch einen lichtempfindlichen Transistor wieder in elektrische Digitalsignale umgewandelt.


Materialien und Verluste

Je hochwertiger die Leitermaterialien, desto kleiner die Verluste. Für kurze Übertragungsstrecken werden heute fast ausschliesslich Plexiglasleiter (Polymethylmethacrylath – PMMA) eingesetzt. Die Kabel aus Glasfasern sind qualitativ besser und dämpfen die Signale noch weniger. Die heiklen Stellen in der Datenübertragung sind die Ein- und Austritte des Lichts im Kabel. Dabei sind die Kabelschnittflächen wichtig. Diese müssen rechtwinklig und ohne Kratzer sein, damit das Licht nicht gestreut wird. Müssen im automobilen Bereich derartige Kabel repariert werden, ist unbedingt das entsprechende Spezialwerkzeug einzusetzen. Auf die elektromagnetische Strahlung wird auch im automobilen Bereich immer wieder zurückgegriffen. In vielen Wellenbereichen sind Geräte im Einsatz. Die neueren sind wohl die Abstandmessgeräte auf Radarbasis. Was wird sich in der Zukunft noch alles daraus entwickeln? Wir dürfen gespannt sein.

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