Amplitudenmodulation elektromagnetischer Wellen

Amplitudenmodulation elektromagnetischer Wellen
Grundidee der Amplitudenmodulation
Kurzbeschreibung
Modell eines Radiosenders und -empfängers, basierend auf Amplitudenmodulation.
Kategorien
Elektrizitätslehre
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Sek. II
Basiskonzept:	Energie, Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus	mittel
Informationen
Name:	Jonas Herrmann
Kontakt:	herrmajo@hu-berlin.de
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Franz Boczianowski

Nachdem sie im Jahr 1887 von Heinrich Hertz erstmals experimentell nachgewiesen wurden, sind elektromagnetische Wellen in Form von Funkwellen schnell zu einem wichtigen Instrument der Kommunikation weiterentwickelt worden. Bereits 1901 gelang eine transatlantische Funkübertragung zwischen Nordamerika und Europa.
Ab 1923 entwickelte sich das Medium Radio zu einer Informationsquelle für die breite Öffentlichkeit. Jeder mit geeignetem Empfangsgerät konnte von nun an Zeitansagen, Nachrichten oder Konzerte über den Rundfunk hören. Die vom Radiogerät wiedergegebenen Schallwellen mussten hierbei als Information auf die, auch "Trägerwellen" genannten, elekt.-magn. Wellen "moduliert" werden. Die gängigste Modulationsart war in den Anfangsjahren des Radios die sogenannte Amplitudenmodulation (AM). Dabei handelt es sich um eine gezielte Änderung der Amplitude der Trägerwelle und nicht der Frequenz, wie bei der moderneren Methode der Frequenzmodulation (FM).
In dem hier vorgestellten Experiment soll ein einfaches Modell eines Radiosenders und -empfängers realisiert werden. Dabei wird ein tonfrequentes Signal auf eine Dezimeterwelle moduliert und durch einen, mit einem Empfangsdipol verbundenen, Lautsprecher hörbar gemacht.

Didaktischer Teil

Begründung der Themenwahl

Die Begründung folgt dem Ansatz der didaktischen Analyse nach Klafki.
Dieser Versuch ist ein konkretes und anschauliches Beispiel der Anwendung physikalischer Erkenntnisse im Alltag. Die SchülerInnen begegnen der Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen jeden Tag; sei es durch das Radio, Telefon oder W-LAN. Die Grundlage dieser technischen Anwendungen sind physikalische Modelle und Theorien. Einige dieser Modelle, wie z. B. das Wellenmodell, wurden schon im Unterricht behandelt und verstanden. Mithilfe des Experiments kann den SchülerInnen also aufgezeigt werden, dass technische Phänomene der Gegenwart auf viel ältere und grundlegendere Erkenntnisse der Physik zurückgehen.
Auch in der Zukunft wird kabellose Informationsübertragung eine entscheidende Rolle spielen. Schon jetzt besitzt fast jeder einen mobilen Internetzugang und vielleicht wird dieser die kabelbasierte Informationstechnik, zumindest im privaten Bereich, irgendwann ablösen. Zu wissen was der, sonst als Black Box empfundenen, Nachrichtentechnik zugrunde liegt, bereitet die SchülerInnen also auf die technischen Gegebenheiten der Zukunft vor.
Zuletzt stellt die Amplitudenmodulation ein hervorragendes Beispiel für das Zusammenspiel von Theorie und Praxis dar. Ohne den theoretischen Unterbau des Wellenmodells wäre nie die Idee einer drahtlosen Kommunikation entstanden. Auf der anderen Seite wäre das Gesamtbild des HERTZ'schen Spektrums heute immer noch unvollständig, hätten nicht etliche technische Anwendungen immer neue und bessere Methoden zur Analyse elektromagnetischer Strahlung hervorgebracht.

Einordnung in den Rahmenlehrplan

Da ein hohes Maß an Vorwissen zum Verständnis des Aufbaus und der Funktionsweise dieses Experiments benötigt wird, liegt der didaktische Schwerpunkt hier bei der Kompetenz "Fachwissen".

Nach dem Berliner Rahmenlehrplan der Sekundarstufe II sollen die SchülerInnen ...:
1. ihr Basiswissen zu den zentralen physikalischen Teilgebieten Felder, Wellen, Quanten und Struktur der Materie darstellen ...
2. ausgewählte physikalische Theorien darstellen ...
3. physikalische Informationen strukturieren ...
4. ihr Wissen in verschiedenen Kontexten aus Natur und Technik anwenden
... können.

Mit Bezug zu den Basiskonzepten "Energie" und "Wechselwirkung" können diese Kompetenzen gefördert werden. Genauer gesagt ist dieser Versuch Teil des Themenfeldes "Elektromagnetische Schwingungen und Wellen".
Zu 1.: Durch die Verwendung des Begriffs "Dezimeterwellen" wird eine Einordnung spezieller HERTZ'scher Wellen in das elektromagnetische Spektrum vorgenommen. Da bei der Modulation gleichzeitig hörbare Schallfrequenzen verwendet werden, wird auch die Größenordnung der Radiofrequenzen greifbarer.
Zu 2.: Das Wellenmodell elektromagnetischer Strahlung kommt bei diesem Aufbau besonders zum Tragen. Aus der Mechanik bekannte Eigenschaften, wie Amplitude, Wellenlänge, Frequenz und Überlagerung können übertragen und in einem größeren Zusammenhang gesehen werden.
Zu 3.: Die Tatsache, dass man es hier mit einer durch Schwingung modifizierten Trägerwelle zu tun hat, erfordert eine klare Strukturierung der Sachlage. Elektromagnetische und Schallwellen müssen klar voneinander getrennt werden. Zunächst ist es notwendig zu verstehen, dass ein und dieselbe Welle mehrere Frequenzen auf einmal "tragen" kann. Danach kann gesehen werden, dass die zeitliche Änderung der Amplitude der elekt.-magn. Welle genau der Frequenz der letztendlich wahrnehmbaren Schallwelle entspricht.
Zu 4.: Die wechselseitige Beziehung zwischen Physik, Technik und Gesellschaft wird im Kontext der Nachrichtentechnik vermittelt. Der mögliche Kontext "Kommunikation und ihre technische Realisierung" wird im Rahmenlehrplan auch explizit angegeben. Es bietet sich an, vor oder nach der Durchführung des Versuchs auf die historische Entwicklung des Rundfunks einzugehen.

Versuchsanleitung

benötigte Materialien

Abb.1: Versuchsaufbau

- Dezimeterwellensender
- Steckernetzgerät 230 V /12 V
- Funktionsgenerator P, 100 mHz – 100 kHz
- AC/DC-Verstärker, 30 W
- Breitbandlautsprecher
- 3 Sockel
- 1 Messkabel BNC/4 mm
- 4 Experimentierkabel, 100 cm

Versuchsaufbau

Abb.2: Funktionsgenerator

Zuerst muss der Dezimeterwellensender mithilfe eines Sockels aufgestellt werden. Dann wird der Schleifendipol auf den Antennenausgang des Dezimeterwellensenders gesteckt.
Gegenüber wird nun ein Haltestab mit aufgeschraubtem Empfangsdipol in einen weiteren Sockel geklemmt und in etwa einem Meter Entfernung vom Dezimeterwellensender aufgestellt. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass Empfangs- und Schleifendipol parallel zueinander stehen. Um die Modulation der Dezimeterwellen zu ermöglichen, werden Modulationseingang des Senders und der Ausgang des Funktionsgenerators mit dem Messkabel verbunden.
Am Funktionsgenerator sollte die Sinusfunktion "~" gewählt, der Grobabschwächer auf "x 0,1" gestellt und der Gleichstromsteller ("DC") bis zum Anschlag nach links gedreht werden. Jetzt kann der Funktionsgenerator eingeschaltet werden.
Der Empfangsdipol wird nun mit dem Eingang, der Lautsprecher mit dem Ausgang, des AC/DC-Verstärkers verbunden. Ein- und Ausgangskabel müssen verdrillt werden, um Störsignalen vorzubeugen.

Abb.3: AC/DC-Verstärker

Am AC/DC-Verstärker sollte die Betriebsart "AC" gewählt und eine zehnfache Verstärkung ("x 10") eingestellt werden. Danach kann auch der Verstärker eingeschaltet werden.
Zuletzt muss die Offsetkompensation am AC/DC-Verstärker kalibriert werden. Hierzu dreht man den Wechselstromsteller des Funktionsgenerators und den Abschwächer des AC/DC-Verstärkers bis zum Anschlag nach links. Danach wird das Offsetpotentiometer des Versärkers so eingestellt, dass die grüne LED leuchtet.

Versuchsdurchführung

Als erstes wird der Dezimeterwellensender durch Anschluss des Steckernetzgerätes in Betrieb genommen und die Betriebsart "AM" gewählt. Danach dreht man den Steller für die AC-Amplitude des Funktionsgenerators bis zum Anschlag nach rechts. Wenn nun der Abschwächer des AC/DC-Verstärkers kontinuierlich nach rechts gedreht wird, sollte der Lautsprecher ab einem gewissen Punkt gut hörbar einen Sinuston wiedergeben. Falls nicht, muss überprüft werden, ob die Frequenz am Funktionsgenerator im hörbaren Bereich zwischen 100 Hz und 10 kHz liegt. Jetzt kann die Frequenz nach Belieben in diesem Bereich variiert werden. Zudem kann der Abstand zwischen Sender und Empfänger verändert oder ein metallisches Hindernis dazwischen gebracht werden.

Abb. 4: Dezimeterwellensender

Beobachtung und Ergebnisse

Abb. 5: Empfängerdipol mit angeschlossenem Lautsprecher

Wird die Frequenz am Funktionsgenerator verändert, so ändert sich auch der Ton des Lautsprechers. Je höher hierbei die Frequenz am Funtionsgenerator, desto höher auch der Ton.
Eine Veränderung des Abstands zwischen Sender und Empfängers bewirkt eine Änderung der Lautstärke des Tons. Je größer die Distanz, desto leiser ist der Ton zu hören.
Bringt man ein metallisches Hindernis zwischen Sender und Empfänger, so ist der Ton nicht mehr bzw. kaum zu hören.

Zusatz: Es ist möglich, dass Geräte mit Funkbedienung auf diesen Aufbau ansprechen. Entscheidend hierfür ist, dass die Sendefrequenz des Dezimeterwellensenders (ca. 430 MHz) der Empfangsfrequenz des Gerätes entspricht. Wenn nun die Signalfrequenz im hörbaren Freqzenzbereich liegt, kann es passieren, dass beim Durchlaufen des Bereichs z. B. Funkklingeln ausgelöst werden.

Auswertung

Die von einem Dezimeterwellensender ausgesandten elekrtomagnetischen Wellen können zur Übertragung von Signalen genutzt werden.
Wird ihre Amplitude in einer sinusförmigen Weise periodisch abgeschwächt und verstärkt, so lässt sich, mithilfe eines Empfangsdipols und eines Lautsprechers, dieses Signal hörbar machen.
Die von einem "AM-Radio" erzeugten Töne werden also durch den Empfang elektr.-magn. Wellen ermöglicht. Diese werden zuerst von einer Radiostation, verändert mittels Amplitudenmodulation, abgestrahlt um dann vom Empfangsdipol des Radios aufgenommen und wieder in hörbare Töne umgewandelt zu werden.

Abb. 6: Rückseite der Laborklingel

Hinweise

Der Dezimeterwellensender hält nicht mit Sicherheit die Grenzwerte der Klasse A, Gruppe 2 der Norm EN 55011 ein. Geräte innerhalb des Fachraums einer Schule oder anderen Ausbildungsstätte können gestört werden. Außerdem können Funkstörungen bis zu einem Abstand von mehreren 100 m auftreten. Durch den Betreiber sind daher alle erforderlichen Maßnahmen zu treffen, damit sichergestellt wird, daß außerhalb des Fachraums installierte Geräte ordnungsgemäß arbeiten können.