Eine Schwingung ist eine sich regelmäßig oder periodisch wiederholende Schwankung einer Größe mit der Zeit. Bei uns in der Funktechnik sind das meist elektrische Signale in einer elektronischen Baugruppe wie einem Sender. Es kann aber auch z. B. das mechanische Pendel einer Uhr sein. Typisch für eine Schwingung ist, dass sie sich räumlich nicht verändert.
Sobald wir die Schwingung über eine Antenne dazu bringen, sich im Raum auszubreiten, erhalten wir eine Welle. Typisch für eine Welle ist nun, dass sie sich periodisch in der Zeit und auch periodisch im Ort bzw. Raum verhält. Die Periodizität in der Zeit ist ihre Periodendauer T. Der Kehrwert davon ist die Frequenz f. Die Periodizität im Ort ist die Wellenlänge λ. Eine wichtige Eigenschaft der Welle ist, dass ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit c genau das Produkt von Frequenz f und Wellenlänge λ ist:
c = f λ
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in Luft ist für uns Funkamateure hinreichend genau die Lichtgeschwindigkeit mit etwa 3 ∗ 108 m/s. Möchte man sich eine solche Welle in Zeit und Raum grafisch veranschaulichen, so hat man das Problem, dass der Raum schon drei Dimensionen hat; man also zusammen mit der Zeit insgesamt vier Dimensionen darstellen müsste. Man kann sich behelfen, indem man die Ausbreitung im Raum auf eine Koordinate reduziert, weil sich die drei Raumkoordinaten ohnehin im Prinzip gleich verhalten.
In der Grafik sieht man, wie sich die Welle entlang der Grundfläche auf der Achse nach rechts in der Zeit verändert und auf der Achse nach links im Raum fortschreitet. Ohne genaue Skalierung sind die Achsen hier in der Grafik austauschbar.
Viele Eigenschaften an Wellen kann man sich auch an Wasserwellen oder Schallwellen veranschaulichen. Auch hier gilt c = f λ wobei c natürlich nicht die Lichtgeschwindigkeit, sondern die jeweilige Ausbreitungsgeschwindigkeit ist.
Polarisation
Aber es gibt einen wesentlichen Unterschied: Wellen, die auf Lageänderungen von Materie bzw. Atomen und Molekülen beruhen, wie eben z. B. Schall- und Wasserwellen, sind nicht polarisierbar. Die Polarisation ist eine Besonderheit der elektromagnetischen Wellen. Die Schwingungen, auf der eine elektromagnetische Welle beruht, bauen nicht auf Lageänderungen von Materie auf, sondern eben wie der Name sagt auf elektrischen und magnetischen Feldern. Eigentlich sind elektrisches und magnetisches Feld gleichermaßen an der Welle beteiligt und sie stehen senkrecht aufeinander. Man hat sich per Konvention dafür entschieden, die Polarisation einer elektromagnetischen Welle nach der elektrischen Komponente zu benennen.
Linearität und Superposition
Wir gehen wie selbstverständlich davon aus, dass wir Wellen unterschiedlicher Frequenz unabhängig voneinander nutzen können. Dass das so einfach funktioniert, liegt daran, dass Luft ein lineares Medium für Funkwellen ist. Das bedeutet, eine Schwingung, die wir an der Antenne des Senders abschicken, kommt, genau so, nur gleichmäßig geschwächt, an der Antenne des Empfängers an.
Gleichzeitig gilt auch noch Superposition, was bedeutet, dass auch andere Funkwellen, mit denen wir uns den „Äther“ teilen, unsere Funkwelle nicht verändert; sie „überlagern“ sich, ohne sich dabei gegenseitig zu stören. Aus dem gleichen Grund können wir z. B. durch die Luft sehen. Auch das Sehen beruht auf elektromagnetischen Wellen. Das Licht stört sich in Luft nicht daran, dass verschiedene Lichtstrahlen kreuz und quer durch sie hindurch verlaufen.
Ein Beispiel aus dem täglichen Leben, bei dem das alles so nicht mehr funktioniert, ist Nebel. Sobald es neblig ist, streuen die kleinen Wassertröpfchen in der Luft das Licht und jeder sieht alles gleichzeitig, also effektiv nichts mehr. Und je mehr Licht man einschaltet, desto schlimmer wird es.
Andere Medien haben diese Linearität nicht oder nur eingeschränkt. Besonders bei elektrischen Schwingungen in elektronischen Schaltungen kommen Verzerrungen an ungeeigneten Bauteilen vor. Z. B. sind Induktivitäten und Kondensatoren nur bis zu einem bestimmten Pegel für HF geeignet, weil sich sonst die Nichtlinearitäten des Kernmaterials bzw. des Dielektrikums bemerkbar machen. Die Signale sind dann verzerrt und es können Intermodulationsprodukte auftreten. Zum Mischen von Frequenzen bei der Frequenzaufbereitung nutzen wir Nichtlinearitäten auch gezielt aus.
Hier noch ein kleines Script, um sich eine Welle in Gnuplot interaktiv (mit der Maus drehbar) anzeigen zu lassen:
set xrange [0:2*pi] set yrange [0:2*pi] set hidden3d set pm3d set samples 100 set isosamples 100 splot sin(x)+sin(y)
