Sonnenrauschen

Meine Physik(als-Hobby)-Experimente von früher waren zwar interessant, aber manchmal unüberlegt geplant und ausgeführt: Mir fiel kürzlich ein Diagramm in die Hand, auf dem das Sonnenrauschen aufgezeichnet war, empfangen 1991 mit einer UHF-Yagi-Antenne und einem kommerziellem Pegelempfänger (Foto). Es zeigt die Linie des Sonnendurchgangs durch die Empfangskeule der Antenne, deutlich abgehoben vom Untergrund. Aber es fehlt ein Referenzpegel, um aus dem Rauschsignal die (Äquivalent-) Temperatur der Sonne zu bestimmen. Offenbar war die Freude darüber, überhaupt eine Linie zu sehen, so groß, dass ich vergaß, die Antenne auf ein Objekt mit bekannter Temperatur zu richten (In der Regel ist das ein Objekt der Umgebung, beispielsweise eine Wand mit der Temperatur 300 K).

Ich habe deshalb versucht, das 300 K-Niveau abzuschätzen – durch Extrapolation der Messpunkte zur Elevation Null (Antenne horizontal gerichtet). Das Diagramm (Abbildung) zeigt die Sonnenlinie und den Bereich (schraffiert), in dem der Pegel für 300 K liegen könnte. Rechnet man mit dem dort gekennzeichneten Bereich für den Eichpegel, erhält man als Temperatur der Sonne 500000 K, und zwar bei der Frequenz 625 MHz (auf diese Frequenz war der Empfänger abgestimmt). Die Abschätzung ist, zugegeben, etwas kühn. Sie ist nur auf  ± 200000 K genau.

Da ich einmal mit Radioastronomie beschäftigt war, nahm ich mir die Daten meines zweiten Experiments zum Sonnenrauschen (aus dem Jahr 2004) nochmals vor. Bei diesem Experiment benutzte ich eine Satelliten-Antenne mit einen auf 10 GHz abgestimmten Empfänger (LNC und Pegelmesser), und zeichnete nicht nur die Sonnenlinie, sondern auch den 300 K-Pegel auf. Die erneute Auswertung bestätigte meine damalige Messung: Die Temperatur der Sonne bei 10 GHz ist danach (10,1 ± 1,0)⋅103 K.

In dem Diagramm unten sind einige der Literatur1 entnommene Messpunkte der Sonnentemperatur dargestellt (schwarze Kreise und ein blauer Kreis) – dazu eine Gerade, die den nach Rayleigh-Jeans erwarteten Verlauf der Temperatur als Funktion der Frequenz zeigt. Die roten Kreise kennzeichnen meine hier genannten Messergebnisse. Sie fügen sich gut in die Reihe der anderen Punkte ein. Die systematische Abweichung aller Punkte von der Rayleigh-Jeans-Gerade oberhalb 1 GHz ist deutlich zu erkennen.

Mehr zu meinem Ausflug in die (Amateur-)Radio-Astronomie hier.

 

 

1 Peter Wellmann: Radioastronomie, Dalp Taschenbücher, Band 340, Lehnen Verlag, München (1957), und George Lo, William P. Lonc: Solar temperature at 4 GHz: An undergraduate experiment, Am. J. Phys. 54 (9), S.843

 

FA-VA5

Mit FA-VA5 ist der Antennen-Analysator gemeint, den ich vor einiger Zeit erstand. Er hat sich bei der Messung der Güte eines RLC-Kreises schon bewährt: der mit seiner Hilfe bestimmte Q-Wert stimmte mit dem überein, den man aus der Filterkurve des Kreises abliest. Natürlich sollte er, wie der Name andeutet, in erster Linie zur Messung von Antennen-Parametern dienen – zum Beispiel zur Bestimmung der Antennenimpedanz.

Die Antennenimpedanz ist der Wechselstromwiderstand, den ein (über ein HF-Kabel angeschlossener) Sender am Anschlusspunkt des Kabels an den Antennendraht »sieht«. Der erste Einsatz meines Geräts in Sachen Antennenparameter bestand darin, genau diesen Wechselstromwiderstand zu messen – und zwar im Fall eines  (mittengespeisten) Halbwellen-Dipols. Bei Resonanz ist er rein ohmsch, hat also keine kapazitiven oder induktiven Anteile. Er liegt im Bereich zwischen 50 und 100 Ohm, je nach Höhe der Antenne über dem Erdboden. Für eine verlustfreie Antenne ist dieser »Fußpunktwiderstand« gleich dem Strahlungswiderstand. Gemessen wurde der Fußpunktwiderstand für einige Höhen unterhalb der doppelten Dipollänge, das heißt unterhalb der Resonanz-Wellenlänge. Ohne auf Einzelheiten der Messung einzugehen, hier das Ergebnis.        

Die Abbildung zeigt, dass die Messpunkte zwar nicht dem Verlauf, aber immerhin dem Trend der theoretischen Kurve folgen. Die theoretische Kurve (blaue Kurve in der Abbildung) zeigt den Strahlungswiderstand eines idealen Dipols als Funktion der Höhe. Für diesen sind, wie gesagt,  Strahlungswiderstand und Fußpunktwiderstand gleich. Die systematische Abweichung zwischen Theorie und Experiment ist vermutlich auf den nicht idealen Standort der Antenne zurückzuführen.

Für einen ersten Versuch, mit dem  FA-VA5 den Fußpunktwiderstand eines Dipols zu messen, ist das Ergebnis zufriedenstellend. Mehr zu dieser Messung hier.

 

Batschkapp

Merk dir doch einfach „Batschkapp”. Wie bitte? – Mich hat es zum Studium vom Niederrhein nach Hessen verschlagen und ich tüftele zusammen mit Gleichgesinnten an einer Übung in Vektorrechnung. Der Ratschlag des Kommilitonen ist gut gemeint, aber er spricht eine mir fremde Sprache. Es geht um das Kreuzprodukt dreier Vektoren. Die Vektoren A, B und C, miteinander kreuzmultipliziert, ergeben B mal Skalarprodukt von A und C  minus C mal Skalarprodukt von A und B. Als Formel geschrieben  A×(B×C)  =  B(A·C) – C(A·B). Mit „Batschkapp” ist offenbar die rechte Seite der Gleichung gemeint1. Ich buchstabiere also „B” = B, „a” = A, „tsch” = C, „k” = C, „a” = A und schließlich „pp” = B. Macht tatsächlich Sinn und half damals bei Klausuren enorm.

Und nun zur Bedeutung: Batschkapp – eine Kappe, die man sich über den Schädel „patscht”, um das Haupt vor unfreundlichem Wetter zu schützen? Ich war mir nicht sicher. Als Eselsbrücke spielte die Bedeutung ja auch keine Rolle (damals lebte Ms. Google noch nicht). Heutzutage ist klar: „Batschkapp” heißt in Mainfranken die Schiebermütze (Wikipedia). Auch in Südhessen spricht man diese Sprache. Denn ich lese mit großer Rührung in Rainer Witts Büchlein „Wenn’s dreimal pfeift, gibt’s Ärger – Geschichten und Anekdoten aus Darmstadt”, dass Papa Behrend vom Knusperhäuschen in der Dreibrunnenstraße eine „Batschkapp” besaß. Die setzte er immer dann auf, wenn er den Hof zwischen Küche und Gaststube überquerte. Das kann ich bestätigen: Als Student war ich, wiederum mit Gleichgesinnten, oft im Knusperhäuschen. Ein Höhepunkt des Abends war Papa Behrends Performance beim Nachfüllen unserer Gläser: Er nahm die Flasche (Wein der Hausmarke „von Woellm”), brachte sie über dem Glas blitzschnell in die Senkrechte, Öffnung nach unten, und unterhielt sich mit uns über das Wetter. Es gluckerte kurz, aber intensiv, und nach dem Wetterbericht war das Glas voll und die Flasche wieder in Normallage – eine Sache von Sekunden. Es gab Abende, da hörten wir den Wetterbericht mehrmals. Hätte ich damals Papa Behrends Kappe vor Augen gehabt, wäre die Vektorrechnungsklausur vielleicht besser ausgefallen.      

1  Die Variante (A×BC  =  B(A·C) – A(B·C)  ist leider nicht „Batschkapp”-kompatibel.

 

Vergrößerung

Wenn ich von meinem Fernrohr erzählte, fragte man geradezu zwangsläufig nach dessen Vergrößerung. Nun, die Vergrößerung eines astronomischen Fernrohrs interessiert zwar, ist in der Regel aber zweitrangig (In der Hauptsache geht es darum, das optische Signal-zu-Rausch-Verhältnis anzuheben). Jedenfalls habe ich im Physikunterricht seinerzeit meine Schüler und Schülerinnen die Vergrößerung eines kleinen Fernrohr-Modells bestimmen lassen. Es bestand aus einem Objektiv, herausgeschraubt aus einem 8×30-Fernglas, mit einem Tubus, an dessen Ende ich eine 31-mm-Steckfassung zur Aufnahme verschiedener Okulare¹ angebracht hatte. Die Okulare waren Exemplare aus dem Okularsatz meines (Refraktor-)Fernrohrs.

 

Ein einfacher Versuch, eigentlich nicht des Aufhebens wert. Aber ich stellte beim Stöbern in meinen Unterlagen fest, dass der Versuch mindestens einen Messpunkt (­Pfeil) lieferte, der nicht dem Trend der übrigen Daten folgte. Eine aktuelle Messung bestätigte diese Abweichung – ein unbefriedigender Zustand. Deshalb dieser Bericht, vielleicht hat einer der Leser des Artikels eine Erklärung. Mehr zu dem damaligen Schüler/Schülerinnen-Versuch hier.

¹ Die Okulare bezog ich, zusammen mit einem Fernrohr-Objektiv, von der Firma Lichtenknecker (Daraus entstand mit Hilfe eines 1,50 m langen Kanalrohrs und eines Okularauszugs mein erstes Fernrohr). Damals war das alte 31-mm-Steckmaß noch üblich.

Q-Faktor durch Reflexion

Zur Abwechslung Physik: Es geht wieder einmal um den Q-Wert eines Schwingkreises aus Spule (Induktivität L) und Kondensator (Kapazität C). In diesem Fall ist es ein Parallelkreis. Im Ersatzschalbild fügen wir noch einen Widerstand parallel zu Spule und Kondensator hinzu. Sein Wert R stellt die Ohmschen Verluste des Kreises dar. Die Aufgabe lautet, den Gütefaktor Q dieses RLC-Kreises durch eine Reflexionsmessung zu bestimmen. Ich benutze dazu meinen kürzlich erstandenen Vektor-Antennen-Analysator1 FA-VA 5, also ein Gerät, das eine elektromagnetische Welle über ein Kabel dem zu untersuchenden Bauteil zuführt und ermittelt, welcher Anteil der Welle vom Bauteil zurückgeworfen wird. Die vom Analysator gemessene Größe ist eine komplexe Zahl, genannt Reflexionsfaktor S11, und wird nach Betrag und Phase ermittelt. S11 hängt ab von der Frequenz f, mit der der RLC-Kreis angeregt wird, und wird in der Regel als Ortskurve – mit f als Parameter – in der komplexen Zahlenebene (Smith-Diagramm) dargestellt.

Die Idee zu dieser Messung entstand beim Stöbern in Internet: Ich stieß auf die Versuchsanleitung zu einem Experiment des Physik-Praktikums an der TU Darmstadt2. Dort sollte mit Hilfe des Reflexionsverfahrens der Q-Wert eines HF-Resonators bestimmt werden. Das Institut für Kernphysik der TU Darmstadt benutzt solche Resonatoren an seinem Elektronenbeschleuniger S-DALINAC. In jungen Jahren habe ich selber längere Zeit an diesem Institut gearbeitet (am Vorgänger-Beschleuniger DALINAC). Es freut mich also, in dieser Sache noch einmal an meine ehemalige Arbeitsstätte erinnert zu werden.

Der RLC-Parallelkreis ist das übliche Ersatzschaltbild eines HF-Resonators im Fall von Reflexionsmessungen. Was als Ersatzschaltbild taugt, sollte sich auch in der Realität bewähren. Die Frage (siehe oben) ist also: Kann man den Gütefaktor Q eines RLC-Kreises durch eine Reflexionsmessung bestimmen?

Mein RLC-Schwingkreis besteht aus einer Luftspule mit der Induktivität L = 10 μH und einem Keramik-Kondensator der Kapazität C = 330 pF. Nach der Thomsonschen Formel sollte seine Resonanzfrequenz f0 = 2,77 MHz betragen – gemessen wurden 2,796 MHz. Ohne auf Theorie und Details der Messung3 einzugehen, hier das Ergebnis meines (Hobby-)Experiments: Die Abbildung zeigt, als Funktion der Frequenz, den Reflexionsfaktor S11 und die Impedanz Z des RLC-Kreises – und zwar in unterschiedlichen Koordinatensystemen. Die Ortskurve des S11-Faktors (grüne Kurve) ist im Smith-Diagramm dargestellt, während die Impedanz, aufgeteilt in 

Realteil (blaue oder schwarze Kurve) und Imaginärteil (rote Kurve) in dem zusätzlich eingezeichneten kartesischen Koordinatensystem abzulesen ist. Gemessen wurde im Frequenzintervall zwischen 2 und 4 MHz. Von den eingezeichneten Frequenzmarken interessieren hier die Resonanzfrequenz f0 = 2,796  MHz (Marke 1) und die beiden –3dB-Frequenzen f2 = 2,783 MHz und f3 = 2,810 MHz (Marken 2 und 3). Daraus ergibt sich eine Bandbreite von Δf  =  f3f2  = 0,027 MHz, der Gütefaktor Q = f0f  ist damit Q = 104. Zur Kontrolle bestimmte ich mit einem Rauschgenerator die Filterkurve (Resonanzkurve) des RLC-Kreises. Deren Resonanzfrequenz war f0 = 2,792 MHz, ihre Bandbreite Δf  = 0,0265 MHz. Daraus folgt als Gütefaktor Q = 107.

Das professionelle Experiment an einem HF-Resonator (an Stelle eines RLC-Schwingkreises) wird in einem Vortrag am CERN beschrieben4.

 

1  Der Vektor-Antennen-Analysator FA-VA 5 wird in Amateurfunk-Kreisen als Bausatz gehandelt. Er wurde von Michael Knitter (DG5MK) entworfen, die Software zur Anbindung des Geräts an einen PC und zur Darstellung der Ergebnisse auf dem Bildschirm stammt von Thomas Baier (DG8SAQ).
2  Versuch 1.2 – Hochfrequenzresonatoren, Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene, Institut für Kernphysik, TU Darmstadt. www.ikp.tu-darmstadt.de› ikp › lehre_ikp › vers12
3  Eine ausführliche Beschreibung der Messungen hier.
4  Antonio G., Markus J., Hélène G. und Alex S.:  RF Cavity experiments, CERN, Presentation_RF_AG_MJ_HG_AS.pdf, indico.cern.ch

 

 

Deelense Straal – Übung in Malerei

Der Deelense Straal (Foto) ist einem kilometerlanger Streifen Heideland im niederländischen Nationalpark „Hoge Veluwe“. Er wird von Kiefern und Birken gesäumt und bildet eine breite Schneise mit gelbem Gras und rotbraunem Heidekraut. Eine Sichtachse ohne Kirchturm, Tempelchen oder Obelisk im Fluchtpunkt. Auch bei klarem Wetter hat man den Eindruck, er löst sich in der Ferne auf. Ich versuche, die Stimmung der Landschaft auf Leinwand festzuhalten – mit mäßigem Erfolg. Meine Lehrerin meint, die Farben seien zu vordergründig, nicht lebendig genug. Vermutlich hat sie Recht. Ich poste das Gemälde trotzdem, sozusagen als ersten Entwurf.

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

Nachtrag: Der erste Entwurf war in Acryl, jetzt einer in
Aquastift vermalt, hoffentlich besser. … und noch ein Versuch
in Mischtechnik.

 

Alte Niers

Jugenderinnerungen in Schwarzweiß aus den 1950er-Jahren: Fotos von der „Alten Niers“ in Mönchengladbach. Das Flüsschen schlängelte sich in den Nachkriegsjahren noch  durch die Bende östlich des Ortsteils Geneicken. Wasser führte es kaum, das strömte zum großen Teil im Bresges Park über ein Wehr und ergoß sich in einen langweiligen Kanal, die „Neue Niers“. Heute ist die „Alte“ zugeschüttet und die „Neue“ wird renaturiert. Die Kartenskizze zeigt die Orte, an denen die Fotos entstanden.