Tesla’s Theorie der elektromagnetischen Wellen

@Stan_Marsh

Da du gerade die "Größenordnungen" ansprichst ... hier mal ein Vergleich mit den stärksten Energienetzen, die derzeit auf der Erde in Betrieb sind (China):

Die höchste Gleichspannung bei einer im Einsatz befindlichen Anlage liegt aktuell bei ±1100 kV (2,2 MV zwischen den beiden Leitern) Die UHVDC zwischen Changji, China und Xuancheng, nahe Hangzhou, China mit ca. 12000 MW Übertragungsleistung.

Wikipedia: Hochspannungsleitung#Höchste Übertragungsspannung

Die beiden Orte sind fast 3.700km voneinander entfernt, und wir reden hier von 2,2MV und einer Übertragungsleistung von 12.000MW. Dagegen wirken diese lächerlichen 1,6kW über 1km eher wie eine homöopathische Dosis, die im Rauschen einer echten Kupferleitung untergeht :D

Dieser ganze Quatsch ist so dumm, dass es mich nicht einmal wundert, dass die Idioten vom US-Militär daran forschen.

Stan_Marsh schrieb:1,6KW über einen Kilometer. Da müssen sie ein paar Größenordnungen mehr erreichen, damit man damit sinnvolle Anwendungsszenarien finden kann.

So undenkbar ist das ja nicht. Gerade für militärische Einsatzzwecke, wo es weder auf Kosten noch auf Effizienz ankommt. Eis System möglichst kompakt zu halten und es gleichzeitig ohne Kabel mit Energie zu versorgen, klingt ja erst mal nicht abwegig.

Es ist natürlich Quatsch, so etwas als "normalen" Energietransfer zu nutzen, wenn man nicht gerade weiß, wie man massenhaft Fusionsreaktoren baut und nicht weiß, wohin mit der Energie. In nahezu jedem denkbaren zivilen "normalen" Einsatzzweck, dürfte ein Kabel das Mittel der Wahl für die geringsten Kosten zum größten Nutzen bleiben.
Aber irgendwelche Sonderfälle im Kontext von Rettung, Bergung oder solchen Dingen würde ich es nicht per se abtun.

Syndrom schrieb am 08.05.2022:Und geforscht wird meisst an dem Problem, Solarenergie von Satellitenkraftwerken zur Erde zu bekommen ohne ganze Landstriche zu "grillen".

Das wäre schon eine tolle Anwendung - alleine, wie soll das funktionieren? Der "Strahl" müsste ja in jeder denkbaren Ausprägung eine entsprechende Energiedichte aufweisen und würde ja nur dann ungefährlich sein, wenn diese Energie faktisch nicht mit Materie wechselwirkt.
Ich hätte da nicht mal eine Vorstellung für einen Ansatz. Aber ich bin auch kein Physiker.

kleinundgrün schrieb:Eis System möglichst kompakt zu halten und es gleichzeitig ohne Kabel mit Energie zu versorgen, klingt ja erst mal nicht abwegig.

Nein, aber 1,6KW sind halt gerade mal ein Föhn, 1KM sollte in den meisten Fällen per Kabel machbar sein und klein ist das System ja auch nicht, weil der Empfangsspiegel der Wellenlänge entsprechend skaliert sein muss, aber nicht alle Wellenlängen für eine Energieübertragung durch eine Atmosphäre taugen (so weit ich die Physik dahinter verstehe)

Eine Energieübertragung aus dem All bzw. mit einem Satelliten als Relaisstation, so dass man z.B. Funk-, Radar- oder ECM-Systeme mit Energie versorgen kann, das wäre natürlich interessant fürs Militär. Aber da kommt man eben nicht weit mit 1,6KW und 1KM.

Stan_Marsh schrieb:aber 1,6KW sind halt gerade mal ein Föhn

Aber jetzt stell Dir Trump vor, wenn er ohne Kabel sich die Tolle föhnen möchte ...

Im Ernst: Klar ist das System aktuell groß und schwer. Aber das ist ja immer erst mal so. Der Charm bestünde eben darin (falls eine hinreichende Miniaturisierung möglich wäre), dass irgendwelche mobilen Geräte (Drohnen) keine oder nur eine kleine eigene Stromversorgung und eben kein Kabel bräuchten. Im Grunde könnt man dann Drohnen in einem bestimmten Radius nonstop betreiben. Oder aufladen, ohne sich zu nähern. So abwegig halte ich das nicht.

@kleinundgrün:

kleinundgrün schrieb:wie soll das funktionieren?

Man macht die Antenne so gross, dass die Leistungsdichte nicht allzu kritisch ist. Siehe hier.

@uatu
OK, das ist natürlich plausibel, wenn das praktisch geht. Danke!

Induktiv

Macht man schon seit 1880 und früher.

1440 schrieb:Induktiv

Das Induktionsprinzip beruht aber auf sich zeitlich ändernden Feldern, denen wiederum eine räumliche Komponente immanent ist, was den blöden Effekt mit sich bringt, dass sich der ganze Induktionskram gemäß Abstandsgesetz proportional zu 1/r^n-1 abschwächt (n=Anzahl der Raumdimensionen).

Übersetzt heißt das, ich kann meine Zahnbürste nicht an der Ladestation des Nachbarn aufladen. Aber genau darum geht es hier in diesem Thread ... also nicht wirklich um meine Zahnbürste, eher um die Frage, wie bringe ich die Energie von A nach B ( bei r (A;B ) >>> 1cm ). :)

Sie schwächen sich aber nur quadratisch ab, wenn eine Ausdehnung in alle Richtungen erfolgt. Wenn man den Antennen geeignete Formen gibt, dann ist die Abschwächung bei weitem nicht so.

Bei diesem Experiment zur Energieübertragung wurde ja genau deswegen Parabolantennen verwendet. Das schränkt aber natürlich die Nutzbarkeit massiv ein. Was nützt mir ein Gerät, das ich immer auf einen Sender ausrichten muss, damits geht?

Also einen Tot muss man sterben, entweder in der Praxis unbrauchbar oder einen Wirkungsgrad der gegen 0 strebt

alhambra schrieb:Sie schwächen sich aber nur quadratisch ab, wenn eine Ausdehnung in alle Richtungen erfolgt.

Sie schwächen sich immer quadratisch ab. Oder ändern sich die physikalischen Gesetze wegen einer Richtantenne?

schrauber2 schrieb:Sie schwächen sich immer quadratisch ab. Oder ändern sich die physikalischen Gesetze wegen einer Richtantenne?

Nein. Es hängt von der Geometrie ab. Kannst du dir z.B. mal hier ansehen: https://de.wikipedia.org/wiki/Gau%C3%9Fsches_Gesetz

@Chemik korrekt, deswegen würde ein perfekt fokusierter Laserstrahl sich überhaupt nicht abschwächen

Man muss bei der Abschwächung zwischen Nah- und Fernfeld unterscheiden. Das Nahfeld besteht abhängig von den technischen Gegebenheiten -- wobei der Übergang fliessend ist -- üblicherweise im Bereich von einigen Zentimetern bis Metern um den Sender.

Die Verhältnisse der Feldstärke im Nahfeld hängen davon ab ob es sich um primär elektrische oder primär magnetische Antennen handelt:

• Ein elektrischer Dipol als Antenne erzeugt im Nahfeld eine hohe elektrische Feldstärke, die in guter Näherung in dritter Potenz mit der Entfernung abnimmt. Die schwächere magnetische Feldstärke nimmt im Nahfeld quadratisch mit der Entfernung ab.
• Ein magnetischer Dipol als Antenne erzeugt im Nahfeld eine hohe magnetische Feldstärke, die in guter Näherung in dritter Potenz mit der Entfernung abnimmt. Die dabei schwächere elektrische Feldstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab.

(Wikipedia: Nahfeld und Fernfeld)

Würden sich Feldstärkeänderungen auch in weiterer Entfernung so wie im Nahfeld ausbreiten, wären Funk, Radio, Radar, etc. nicht sinnvoll möglich, weil die Feldstärken zu schnell mit der Entfernung abnehmen. Tatsächlich kommt es jedoch in einiger Entfernung zum Sender zu einer -- mathematisch sehr schwierig zu beschreibenden -- Überlagerung der Feldkomponenten, die die Ausbreitungeigenschaften deutlich verändern:

Im Fernfeld [...] sind die magnetische Feldkomponente und die elektrische Feldkomponente in Phase und über den Feldwellenwiderstand des leeren Raumes Z₀ mit ca. 377 Ω miteinander verknüpft. Zum Beispiel kann aus dem gemessenen elektrischen Feld im Fernfeld auf das magnetische Feld geschlossen werden und umgekehrt, im Nahfeld ist dies nicht möglich.

Die beiden Feldkomponenten sind senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert. Die dadurch sich bildende ebene Wellenfront wird als elektromagnetisches Feld bezeichnet und die beiden Feldstärken nehmen in der Stärke mit der Entfernung r um den Faktor 1/r ab.

(Wikipedia: Nahfeld und Fernfeld)

Die Eigenschaften des Nahfelds, nach denen z.B. ein Transformator funktioniert, waren im wesentlichen bereits in den 1870ern bekannt, als Maxwell's bahnbrechende "Treatise on Electricity and Magnetism" erschien. Obwohl Maxwell's Theorie elektromagnetische Wellen in der Art, wie sie im Fernfeld auftreten, vorhersagte, war jedoch nicht bekannt, wie man solche Wellen erzeugen kann, weshalb zunächst auch fraglich blieb, ob sie überhaupt existieren. Das gelang erst Heinrich Hertz 1886, der damit der Maxwell'schen Theorie zum Durchbruch verhalf.

Mal ne kleine Anekdote. Tesla hat ja seine Ideen präsentiert, indem er z.b. mit einer leuchtenden Lampe durch sein Labor gerannt ist.

Das funktioniert tatsächlich. Ich habe früher mal meine Ausbildung in einem Kohlekraftwerk gemacht, und danach noch ein paar Wochen dort gearbeitet, bis mein Studium anfing. Neulinge wurde dort immer eine Leuchtstoffröhre in die Hand gedrückt und die sollten dann an einem bestimmten Punkt die Röhre wechseln gehen. Dort war am Förderband ein Magnetabscheider mit dem Metallreste aus der Kohle gezogen wurde. In dem Augenblick an dem man an diesem Vorbeigeht fängt die Leuchtstoffröhre im Magnetfeld an zu leuchten und man läßt sie vor Schreck fallen.

Aber wie gesagt: Wirkungsgrad -> null und in Zeiten wo die Leut über Elektrosmog vom WLAN Router jammern, ist sowas kaum durchsetzbar

alhambra schrieb am 14.05.2022:Sie schwächen sich aber nur quadratisch ab,

Ganz einfach erklärt.
Die Feldstärke/Energiedichte nimmt mit der Entfernung zum Quadrat ab.

alhambra schrieb:Mal ne kleine Anekdote. Tesla hat ja seine Ideen präsentiert, indem er z.b. mit einer leuchtenden Lampe durch sein Labor gerannt ist.

Jep. Das funktioniert auch besonders gut bei Lang und Mittelwellen - Sendern. Man braucht bei denen im Nahfeld überhaupt keine Spannungsversorgung um die TR/X zu beleuchten.

Peter0167 schrieb am 14.05.2022:eher um die Frage, wie bringe ich die Energie von A nach B

Alter Hut. Vor allen Dingen falsch/sehr schlecht erklärt.

Die Strahlungdichte erhöht sich grundsätzlich mit zunehmender Frequenz. Die Spannungsdichte verringert sich grundsätzlich mit zunehmender Frequenz.

Das bedeutet, dass ich es im Nahfeld einer sehr langen Welle mit äußerst hohen Spannung zu tun habe, welche mit der Entfernung zum Quadrat abnehmen.

Ebenfalls habe ich es bei einer hohen Frequenz mit hohen Felddichten (Strahlungsleistung) zu tun, die ebenfalls mit der Entfernung zum Quadrat abnehmen.

Man mißt den Abfall der Leistung ab 1m und ab da immer doppelt. Also 2,4,8,16 usw.

Die Strahlungsleistung bzw. Felddichte (auch Laser), muss in dem Fall IMMER minus 6dbd - 4 mal schwächeres Signal betragen, in Bezug auf die Entfernung.

Wiederum bedeutet das, wenn ich die Frequenz verdoppel, dann habe ich auf die Strecke ebenfalls ein Signal - Abfall zum Quadrat. (Streckendämpfung in Bezug zu der Frequenz). Das trifft sogar auf den freien Raum zu, weil, je höher die Frequenz umso höher wird auch die Streckendämpfung.

Ich kann mich also drehen und wenden wie ich will, es sind einfach Gesetze, die nicht veränderbar sind.

Wo hast du eigentlich diese Formel her?
"1/rn-1"
Ich kenne die nicht!

uatu schrieb am 14.05.2022:Man muss bei der Abschwächung zwischen Nah- und Fernfeld unterscheiden.

Die Ausbreitung ist im Primzip derart schwer zu berechnen, dass man eigentlich nur Anhaltspunkte nennen kann. Irdisch, weil zu viele Einflüsse.
Einzig wäre der stellare Raum angemessen, um überhaupt wirkliche Messungen ganz ohne Reflexionen realisieren zu können. Erst dann wären weitestgehend fast alle Einflüsse weg, dass man auch nicht mehr vom Nah oder Fernfeld reden muss, denn das gibt es eigentlich nicht, wenn sich die Energie absolut frei ausbreiten kann. Mit frei meine ich, ganz ohne Gebäude, Hindernisse, Kochpott, Zahnbürsten oder der Atmosphäre.

@1440:

1440 schrieb:Das bedeutet, dass ich es im Nahfeld einer sehr langen Welle mit äußerst hohen Spannung zu tun habe, welche mit der Entfernung zum Quadrat abnehmen.

Sofern es sich bei der Antenne im weitesten Sinne um einen Dipol handelt, nimmt die Feldstärke im Nahfeld näherungsweise mit der dritten Potenz der Entfernung ab.

1440 schrieb:Erst dann wären weitestgehend fast alle Einflüsse weg, dass man auch nicht mehr vom Nah oder Fernfeld reden muss, denn das gibt es eigentlich nicht, wenn sich die Energie absolut frei ausbreiten kann. Mit frei meine ich, ganz ohne Gebäude, Hindernisse, Kochpott, Zahnbürsten oder der Atmosphäre.

Das ist falsch. Nah- und Fernfeld resultieren aus den grundsätzlichen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen, nicht aus Umgebungseinflüssen.

1440 schrieb:Wo hast du eigentlich diese Formel her?
"1/rn-1"
Ich kenne die nicht!

Diese Schreibweise entspricht der allgemeingültigen Form des Abstands- bzw. Entfernungsgesetzes, mit dem sich die gleichmäßige Ausbreitung von Energiegrößen in n-dimensionalen Räumen beschreiben lässt.

Da wir es in unserem Universum vermutlich mit nur 3 Raumdimensionen zu tun haben, hat sich die vereinfachte Schreibweise 1/r² durchgesetzt, dennoch handelt es sich dabei nur um einen Spezialfall.

Moderne Feldtheorien (String- bzw. M-Theorien, Supergravitation, etc.) beinhalten neben den 3 bekannten Raumdimensionen auch noch weitere Extradimensionen, mit denen sich eine Vielzahl von Problemen der "klassischen" Theorien elegant lösen lassen. Andere Theorien (z.B. MOND.) kommen auch ohne Extradimensionen aus, ist hier aber nicht das Thema.

Und eine der Möglichkeiten zur Überprüfung der Anzahl von Raumdimensionen ist eben das sog. Abstandsgesetz, nach dem sich die Intensität proportional zu 1/r^(n-1) verringert. Bisher hat man jedoch keinen Beleg dafür gefunden, dass es mehr als 3 Raumdimensionen gibt.

uatu schrieb:Das ist falsch. Nah- und Fernfeld resultieren aus den grundsätzlichen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen, nicht aus Umgebungseinflüssen.

Selbstverständlich hast du Recht. Ich habe mich völlig falsch ausgedrückt was das angeht. Ich meinte damit natürlich die kapazitiven Einflüsse auf das Nah und Fernfeld im freien Raum.

uatu schrieb:Sofern es sich bei der Antenne im weitesten Sinne um einen Dipol handelt, nimmt die Feldstärke im Nahfeld näherungsweise mit der dritten Potenz der Entfernung ab.

Ein Dipol dient zuerst einmal als Bezugspunkt, weil der Gewinn bei diesem Strahler (Resonator), wenn er absolut in Resonanz zu einer bestimmten Frequenz (Wellenlänge) ist, exakt bei Null dbd liegt.
Zb. 1 Watt HF auf Dipol ergibt exakt 1Watt ERP
1Watt HF auf 2 phasengleich erregte Dipole ergibt exakt 2 Watt ERP = + 3 dbd Gewinn, weil ich den Öffnungswinkel verkleinert habe (Halbwertsbreite). Besonders im Nahfeld tut sich dann einiges weil ich dadurch die gesamte Strahlungskarakteristik verändere.

Alles andere hat entweder Verluste oder noch mehr Gewinn. Der Gewinn resultiert grundsätzlich daraus, dass ich den Öffnungswinkel gegenüber Dipol verkleinere. Mache ich das, habe ich automatisch eine höhere Strahlungsleistung in einer bestimmten Richtung.

1440 schrieb:Die Strahlungdichte erhöht sich grundsätzlich mit zunehmender Frequenz.

Ich bin ja was Physik angeht strohdoof, was mich aber dennoch nicht davon abhält, mich mit solchen Themen zu beschäftigen. Und wenn ich über einen Begriff stolpere, den ich nicht verstehe (z.B. Strahlungsdichte), hat mir sehr oft ein Blick auf die zugehörige Einheit weiter geholfen.

Die Einheit der Strahldichte (oder auch Strahlungsdichte) ist .... W / (m² sr)

Das "sr" ist irgendwelcher Winkelkram, m² ist eine Fläche, und W bedeutet Watt, also die gute alte Leistung.

Und an dieser Stelle war ich verwirrt, da die Frequenz scheinbar nicht auftaucht, also habe ich weiter gelesen. Dabei bin ich über die "spektrale Strahldichte" gestolpert, und bei deren Einheit taucht auch tatsächlich ein "Hertz" auf, jedoch unterm Bruchstrich...

Einheit der spektralen Strahldichte: W m^-2 Hz^-1 sr^-1

Wikipedia: Strahldichte#Spektrale Strahldichte

In der Mathematik die ich verwende, wird ein Wert eher kleiner, wenn der Kram unterm Bruchstrich größer wird. Ich begreife irgendwie nicht, wie das mit deiner "grundsätzlichen" Aussage zusammen passt, die ich eingangs zitiert habe.

Offenbar bin ich zu doof für solche Themen ...

Peter0167 schrieb:Offenbar bin ich zu doof für solche Themen

Ne wieso, du bist absolut auf dem richtigen Weg :-)

Ich stelle was das angeht mal 3 Links rein, die das ganz gut erklären. Ich weiß, ich habe das alles aus dem Kopf geschrieben und nicht alles richtig erklärt.

Wikipedia: Strahldichte

Und der hier erklärt sehr gut die Zusammenhänge bei den Leistungspegeln, weil wir es hier auch mit HF und db Rechnung zu tun haben.

Wikipedia: Leistungspegel


Das was ich mit der Strahlungsdichte auf höheren Frequenzen, also kürzeren Wellenzüge meine, wird direkt im Plancksches Strahlungsgesetz beschrieben.

Auszug :

Die Zustandsdichte
Die Anzahl erlaubter Schwingungszustände nimmt bei höheren Frequenzen zu, weil es für Wellen mit geringerer Wellenlänge mehr Möglichkeiten gibt, sich so in den Hohlraum einzupassen,

Quelle: https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Plancksches_Strahlungsgesetz (Archiv-Version vom 07.07.2022)

Peter0167 schrieb:Diese Schreibweise entspricht der allgemeingültigen Form des Abstands- bzw. Entfernungsgesetzes, mit dem sich die

.....

Übrigens danke für deine Erklärung :-)
Ich hatte diese Formel gestern vergeblich gesucht....