Kategorie: Physik als Hobby

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.

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 Ersatzschaltbild 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 Antennen-Analysator¹ FA-VA 5, 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 Darmstadt^2. 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  =  f₃ – f₂  = 0,027 MHz, der Gütefaktor Q = f₀/Δf  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

Meine Erntemaschine ist eine kleine Solarzelle, verborgen hinter den Rosen im Vorgarten. Sie liefert den Strom für vier Leuchtdioden, die ein kleines Plastikschild auf dem Schreibtisch beleuchten. Das tut sie nun schon seit Jahren – Zeit für eine kleine Anerkennung: Ich habe den Wirkungsgrad einer ihrer Artgenossinnen aus polykristallinem Silizium bestimmt. Hier ist das Ergebnis.

Das Experiment ist aus dem Schulunterricht entstanden, als wieder einmal Versuche mit Mikrowellen an der Reihe waren: Eine elektromagnetische Welle dringt bei Totalreflexion an einem optisch dünneren Medium in dieses ihr „verbotene” Medium ein. Ein grundlegendes physikalisches Phänomen, das man experimentell bearbeiten sollte, auch quantitativ – dachte ich. Versuche mit Mikrowellen, die an der Grenzfläche zwischen Paraffin und Luft (total-)reflektiert werden, erschienen dafür geeignet. Anleitungen oder Beschreibungen für quantitative Experimente gab es nicht. Nachschlagen bei Crawford¹ lieferte einige Hinweise, der Rest war Improvisation. Die Abbildung zeigt das Ergebnis meiner Messungen. Aufgetragen ist die Eindringtiefe der Mikrowellen als Funktion des Winkels der Totalreflexion. Die beste Anpassung an die Messpunkte (rote Kurve) liefert den Brechungsindex von Paraffin bei der Wellenlänge 3,2 cm, hier n = 1,43 ± 0,04. Der Literaturwert ist  n = 1,46. Mehr dazu hier.

¹  J. S. Crawford: Berkeley Physics Course, Volume III (Waves), New York: McGraw-Hill (1965)

Weißes Licht, zum Beispiel das der Sonne, setzt sich aus mehreren Farben zusammen. Bei Leuchtstoffröhren und Leuchtdioden (LED) kennt man kalt- und warmweiß. Im Foto ist das Weiß einer kaltweißen Leuchtdiode in seine Farben aufgefächert (sogar mehrfach). Untersucht man das Bild genauer, findet man heraus, welche Farben es sind. Mehr dazu hier.

Im Juni 1980 erschien im „Spektrum der Wissenschaft” (der deutschen Ausgabe des  Scientific American) ein Artikel von Martin Gardner¹ mit dem Titel „Weiße und braune Melodien, Schachtelkurven und 1/f-Fluktuationen”. Gardner stellte darin die Arbeit eines Physikers vor – sein Name ist Richard F. Voss², der eine interessante Beziehung zwischen Musik („weiße und braune Melodien”) und zufälligen Schwankungen einer besonderen Art („1/f-Fluktuationen”) entdeckte. Zufällige Schwankungen heißen in der Physik üblicherweise „Rauschen”. Es geht also um den Zusammenhang zwischen Musik und Rauschen.

Musik erfreut (in der Regel), Rauschen nervt (meistens). Ob ein Lautsprecher Musik oder Rauschen liefert, hängt vom zeitlichen Verlauf der (niederfrequenten, NF-) Wechselspannung ab, die an der Lautsprecherspule anliegt. Folgt die Spannung einer Melodie, handelt es sich um Musik, schwankt sie zufällig, um Rauschen. Dieses Rauschen, das durch die zufälligen Schwankungen der Spannung V(t) des NF-Signals zustande kommt, ist hier nicht von Interesse. Hier geht es vielmehr um die zeitlichen Änderungen, die dem Auf und Ab der Lautstärke und der Tonhöhe in einem Musikstück entsprechen. Auch das sind Schwankungen – sie sind aber offenbar weniger oder nur zum Teil zufällig, stellen also eine andere Art Rauschen dar als die Schwankungen von V(t). Man kann sie aber aus dem Zeitverhalten dieses Signals, also aus V(t), ableiten: Die momentane Lautstärke des Signals ist proportional zur Leistung, und diese wiederum proportional zu V²(t). Die momentane Tonhöhe ist proportional zur momentanen Frequenz, und diese wiederum proportional zur Rate Z(t), mit der die Spannung das Vorzeichen wechselt, also proportional zur Zahl der Nulldurchgänge pro Sekunde (Nulldurchgangsrate, engl. zero crossing rate). Lautstärke- und Tonhöhenfluktuationen spiegeln sich also in den Größen V²(t), der Audioleistung, beziehungsweise der Nulldurchgangsrate Z(t) wider.

Beide Größen, V²(t) und Z(t), werden nach Fourier zerlegt. Ihre Fouriertransformierten S_V²(f) beziehungsweise S_Z(f) geben an, mit welcher Intensität ein kleines Frequenzintervall, dessen Mitte die Frequenz f ist, zur Schwankung der entsprechenden Größe im Musikstück beiträgt. Eine Intensität pro Frequenzintervall heißt üblicherweise spektrale Dichte, S_V²(f) und S_Z(f) sind daher die spektralen Dichten der Lautstärke (Audioleistung) beziehungsweise momentanen Tonhöhe (Nulldurchgangsrate). Von Interesse ist deren Abhängigkeit von der Frequenz. Voss’ Ergebnis lautet: Die spektrale Dichte der Lautstärke- und Tonhöhenfluktuationen von Musik nimmt umgekehrt proportional zur Frequenz ab. Sie verhält sich, mathematisch ausgedrückt, wie die Funktion 1/f – daher der Name „1/f -Fluktuationen“. Stellt man sie in doppelt-logarithmischem Koordinatenpapier dar, ergibt sich eine Gerade mit der Steigung –1.

In die Sprache der Musik übersetzt, heißt das: Langsame Schwankungen von Lautstärke und Tonhöhe, sie entsprechen kleinen Frequenzen in S_V²(f) und S_Z(f), überwiegen gegenüber schnellen Änderungen, das heißt hohen Frequenzen in S_V²(f) und S_Z(f). Kleine Änderungen von Lautstärke und Tonhöhe kommen weitaus öfter vor als große Sprünge. Voss hat 1/f-Fluktuationen von Lautstärke und Tonhöhe in verschiedenen Arten von Musik nachgewiesen: Klassik, Jazz, Rock und Pop. Im Übrigen untersuchte er auch Nachrichtensendungen und Aufzeichnungen von Reden, also Sprache, im Hinblick auf derartige Fluktuationen. Sie sind, wie er feststellte, jedoch anderer Art.

Ich habe einen Teil der Voss’schen Experimente versucht nachzuahmen – schon vor einigen Jahren. Aktuelle Experimente haben meine früheren Ergebnisse bestätigt. Die Abbildung zeigt die von mir kürzlich gemessenen spektralen Dichten der Lautstärke- und Tonhöhenfluktuationen in den Brandenburgischen Konzerten und Orchestersuiten von J. S. Bach (Diese Musikstücke hatte auch Voss analysiert). Die rote Kurve stellt die Dichte S_V²(f) der Lautstärkeschwankungen, die grüne Kurve die Dichte S_Z(f) der Tonhöhenschwankungen dar. Beide Kurven zeigen, wie bei Voss, einen 1/f -Verlauf. Um den Unterschied zwischen den Fluktuationen von Audioleistung V²(t) und Nulldurchgangsrate Z(t) auf der einen und Signalspannung V(t) auf der anderen Seite deutlich zu machen, wurde in der Abbildung auch die Dichte von V(t) dargestellt (blaue Kurve, mit S_V(f) bezeichnet). Sie ist im dargestellten Frequenzbereich und auch oberhalb von 10 Hz von der Frequenz unabhängig („weißes Rauschen”).  –  Mehr Rauschen hier.

¹  Martin Gardner: Mathematische Spielereien – Weiße und brauen Melodien, Schachtelkurven und 1/f-Fluktuationen, Spektrum der Wissenschaft („Scientific American”), Juni 1980, S. 14

²  Richard F. Voss und John Clarke: 1/f noise in music: Music from 1/f noise, J. Acoust. Soc. Am. 63(1), Jan. 1978, p. 258

An das Workshop erinnere ich mich noch (lang ist’s her): Eine Gruppe von Physiklehrern versucht, mit Lötkolben und Seitenschneider ausgestattet, unter der Anleitung ihres Kollegen U. Ihlefeldt die Elektronik für eine Apparatur zusammenzubauen, mit der man die Lichtgeschwindigkeit im Labor messen kann. Ich bin dabei – und am Ende der Veranstaltung glücklich, zwei funktionierende Schaltungen mit nach Hause nehmen zu können.
Die Elektronik bestand aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, mit denen man unter Zuhilfenahme eines schnellen Oszilloskops die Zeit messen konnte, die das Licht zum Zurücklegen einer gegebenen Strecke benötigt. Zur Messanordnung gehörten außerdem ein (halbdurchlässiger) Spiegel, ein Reflektor und eine Linse. Trotz des geringen Aufwandes, den die Apparatur erforderte, lieferte sie recht gute Werte. Bei genauerer Messung stellte ich allerdings fest, dass sie systematisch einen Tick größer waren als die bekannten 300000 km/s.
Vor kurzem fiel mir die Apparatur wieder in die Hände – Grund genug, sie nochmals aufzubauen und auch nochmals zu messen. Das Foto zeigt den aktuellen Messaufbau mit Lichtsender, halbdurchlässigem Spiegel, Empfänger und einem Epidiaskop-Objektiv als Linse. Das Licht wird nach Durchlaufen einer gewissen Strecke zurückgeworfen (der Reflektor ist nicht zu sehen) und durch den halbdurchlässigen Spiegel in den Empfänger umgelenkt. Das Oszilloskop misst die Phasenverschiebung zwischen ausgesandtem und vom Empfänger registriertem Lichtimpuls. Durch den Einsatz des Epidiaskop-Objektivs konnte ich das Licht besser bündeln als in der ursprünglichen Anordnung. Infolgedessen wurde mehr Licht in den Empfänger zurückgelenkt, so dass sich die Zeitspanne zwischen Aussendung und Rückkehr des Lichtimpulses sehr genau messen ließ.

Offenbar führt der Intensitätsgewinn auch zu Messwerten, die dem Literaturwert der Lichtgeschwindigkeit näherkommen – also nicht mehr systematisch nach oben abweichen. Das Diagramm zeigt das Ergebnis einer Messung mit der verbesserten Apparatur. Aufgetragen ist die „Reisezeit” Δt des Lichts in Abhängigkeit von der Laufstrecke 2ΔL, wobei die eingezeichnete Ausgleichsgerade einer Lichtgeschwindigkeit von (3,03 ± 0,15) ×10⁸ m/s entspricht. Die Fehlergrenzen ± 0,15 ×10⁸ m/s ergeben sich aus der Streuung der Messpunkte um die Gerade. Eine größere Genauigkeit als die angegebenen ± 5% lässt sich mit der Anordnung wohl kaum erreichen. Etwas mehr zu diesem Experiment hier.

Ein Schuljubiläum vor etwa 10 Jahren war der Anlass für eine Physik-Rallye – natürlich an Stelle von Unterricht. Am Start waren die Schüler und Schülerinnen der Jahrgangsstufe 7. Vielleicht interessiert es, welche Aufgaben auf dem Parcours zu lösen waren – zum Beispiel eine Wasserrakete abzufeuern, die möglichst weit fliegen sollte (Foto). Oder mit einem Peilempfänger zu messen, aus welcher Richtung die Signale des Zeitzeichensenders DCF77 kommen, oder möglichst viel elektrischen Strom durch einen Bleistiftstrich zu zwängen. Mehr…

Drei Hochfrequenzspulen (Foto) unterschiedlicher Bauart: eine HF-Drossel (links), eine mit Cu-Draht bewickelte Ringkern-Spule (mitte) und eine aus HF-Litze gefertigte Kreuzwickelspule (rechts). Sie haben vergleichbare Induktivitäten (400.. 600 μH), sollten sich aber in ihren Hochfrequenz-Eigenschaften voneinander abheben. Sieger in Sachen HF-Tauglichkeit müsste die Kreuzwickelspule sein. Das prüfen wir nach, indem wir aus jeder der Spulen und einem Kondensator (Kapazität 10 nF) einen Schwingkreis bilden und  dessen Güte-Faktor (Q-Wert) messen.  Hier das Ergebnis.  Die Resonanzfrequenz des Kreises ist von der Größenordnung 70 kHz. Bei höheren (oder niedrigeren) Frequenzen erhalten wir möglicherweise andere  Werte. Ist die Kreuzwickelspule wirklich besser als die beiden anderen?