Versuch
Info
Ein Dezimeterwellengenerator, f = 433,92 MHz, strahlt elektromagnetische Wellen ab. Als Empfänger-Dipole werden zwei unterschiedlich lange Antennen in einer Küvette benutzt. Zunächst sind beide in Luft. Der lange Dipol, mit der gleichen Länge wie die Sende-Antenne, empfängt genügend Strahlungsleistung, sodass sein Lämpchen leuchtet. Das Lämpchen des kurzen Dipols bleibt dagegen dunkel.
Wird die Küvette nun mit Wasser gefüllt, erlischt das Lämpchen am langen Dipol. Wegen der geänderten Wellenlänge der Strahlung im Medium Wasser empfängt jetzt der kurze Dipol genügend Strahlungsleistung, sodass nun dieses Lämpchen leuchtet.
Durchführungsdauer: 1 Minuten
Beschreibung
Die Frequenz einer elektrischen Schwingung ist proportional zu \(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon}}\). In einem Medium mit der Permittivität ε hat schon ein Dipol der Länge \(l_{m}=\frac{l}{\sqrt{\varepsilon }}\) die gleiche Frequenz wie ein Dipol der Länge \(l\) in Luft. (Vgl. Lüders, K. und Pohl, R.O. (Hrsg.). Pohls Einführung in die Physik, Band 2: Elektrizitätslehre und Optik. Berlin: Springer, 2010, 23. Auflage, S.153.)
Für Wasser ist die Frequenzabhängigkeit von \(\varepsilon _{r}\) besonders ausgeprägt. Aus der Lichtoptik ist die Brechzahl nWasser = 1,33 bekannt und aus der Elektrostatik die Permittivitätszahl 80,8. Zwischen Brechzahl und Permittivität besteht der Zusammenlang \(n=\frac{c}{v_{ph}}=\sqrt{\varepsilon _{r}}\).
Für Mikrowellen erwarten wir demnach eine Brechzahl zwischen 1,33 (sichtbares Licht) und \(\sqrt{80,8}\approx 9\) (elektrostatisch). Tatsächlich hat Wasser für die Mikrowellen des Leybold-Senders mit f = 434 Hz eine Brechzahl von ungefähr 5.
„Beim Übergang vom Vakuum (näherungsweise auch Luft) in ein Medium mit der Brechzahl n > 1 verkleinert sich die Phasengeschwindigkeit [\(v_{ph}\)] der Welle von c auf den Wert c/n, aber die Frequenz bleibt unverändert. Deshalb muss sich auch die Wellenlänge von dem Vakuum-Wert λ0 auf den Wert λ = λ0/n verkleinern. […] Der ca. 31 cm lange Dipol hat dieselbe Länge wie der Sender-Dipol, der kleine Dipol ist nur ca. 6 cm lang. Zuerst leuchtet nur die Glühlampe des langen Empfänger-Dipols auf. Füllt man destilliertes Wasser in den Tank, dann erlischt die Glühlampe des langen Dipols und die des kurzen leuchtet auf.“ (Raith, Wilhelm. Bergmann-Schaefer – Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2: Elektromagnetismus. Berlin: Walter de Gruyter, 9. Auflage, 2006, S. 345f.)
Hinweise zum Aufbau:
Damit die kurze Antenne in Wasser eintaucht, müssen 1200 ml eingefüllt werden. Dafür destilliertes Wasser bereitstellen.