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Forum: HF, Funk und Felder Magnetische Feldstärke einer Ferritantenne


Autor: Falk Brunner (falk)
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Hallo liebe Gemeinde,

ich habe eine Frage zur Ferritantenne. In einem kleinen Projekt soll das 
Signal von 3 wasserdichten Tastern über max. 20m per Funk übertragen 
werden. Wasserdicht heißt hier auch, die Taster sind unter Wasser in bis 
zu 5m Tiefe. Bluetooth & Co fallen also aus, CB-Funk auch. Also quasi 
rein magnetisch, geplant sind erstmal 125kHz. Gemäß Allgemeinzuteilung 
darf man da mit bis zu 66dBuA/m = 2mA/m rumfunken. So weit, so gut.

Doch wie berechnet man die mag. Feldstärke einer Ferritantenne in x m 
Entfernenung? Eine Suche mit google & Co war leider nicht erfolgreich, 
diverse Grundlagenartikel erzählen nur was von Biot-Savart und der 
Feldstärke auf der X-Ache (Längsachse) des Ferritstabs, was praktisch 
aber vollkommen unbrauchbar ist, denn dort hat die Ferritantenne 
bekanntlich ihr Empfindlichkeitsminimum 8-0

Also, wie berechnet man die magnetische Feldstärke bei 90 Grad zum 
Ferritstab (Maximum im Antennendiagramm)?

Der erste Ansatz ala unendlich langer Leiter erscheint von den Zahlen 
her unsinnig, denn bei ~4A Durchflutung im Kern (kleiner 
Royer-Converter) hätte man bei 20m Entfernung ~63mA/m, das ergäbe bei 
meiner Antenne ca. 27mV reine Induktionsspannung ohne 
Resonanzüberhöhung. Das kann nicht sein und wird durch die ersten Test 
auch nicht bestätigt ;-)

Ansätze?

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Autor: Matthias K.(DO4MKA) (kannichauch)
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Falk B. schrieb:
> Hallo liebe Gemeinde,
>
> ich habe eine Frage zur Ferritantenne. In einem kleinen Projekt soll das
> Signal von 3 wasserdichten Tastern über max. 20m per Funk übertragen
> werden. Wasserdicht heißt hier auch, die Taster sind unter Wasser in bis
> zu 5m Tiefe. Bluetooth & Co fallen also aus, CB-Funk auch. Also quasi
> rein magnetisch, geplant sind erstmal 125kHz. Gemäß Allgemeinzuteilung
> darf man da mit bis zu 66dBuA/m = 2mA/m rumfunken. So weit, so gut.

Trotzdem sollte man einmal prüfen, ob es bereits brauchbare 
Funkanwendungen unter Wasser gibt. Die Magnetantenne erscheint mir auch 
sinnvoll, da höhere Spannungen eher einen Kurzschluss erleiden würden. 
Die elektromagnetische Welle besteht jedoch immer aus elektrischer und 
magnetischer Komponente. Es gibt keine reinen "Magnetwellen"! Man könnte 
auch einmal prüfen, wie weit man ein magnetisches Wechselfeld messen 
kann.
>
> Doch wie berechnet man die mag. Feldstärke einer Ferritantenne in x m
Es gibt keine bestimmte Feldstärke einer Antenne. Gibst Du viel Energie 
drauf, hast Du eine hohe Feldstärke. Was ist x m ?

> Entfernenung? Eine Suche mit google & Co war leider nicht erfolgreich,
> diverse Grundlagenartikel erzählen nur was von Biot-Savart und der
> Feldstärke auf der X-Ache (Längsachse) des Ferritstabs, was praktisch
> aber vollkommen unbrauchbar ist, denn dort hat die Ferritantenne
> bekanntlich ihr Empfindlichkeitsminimum 8-0
Was Du jetzt meinst, hängt mit der Polung der Felder sich ausbreitender 
Wellen zusammen. Die Feldstärke einer Ferritantenne entsteht sehr wohl 
in Längstrichtung, was wiederum nichts mit der Ausbreitungsrichtung von 
elektromagnetischen Wellen zu tun hat.

> Also, wie berechnet man die magnetische Feldstärke bei 90 Grad zum
> Ferritstab (Maximum im Antennendiagramm)?
Siehe oben.
Die Ferritantenne fischt eine gewisse Menge Energie heraus, falls sie 
auch mit einem Lastwiderstand abgezapft wird. Diese Energie hängt ab von 
der Senderstärke, der Entfernung und der Baugröße der Antenne. Dann 
können wir weitersehen. (Oder, ja, wer kann das ausrechnen??)

MfG
Matthias

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Bei 125kHz ist die Wellenlänge ca 2km. Deine gesamte Geometrie ist also 
sehr klein verglichen zur Wellenlänge und man kann jegliche 
Welleneffekte vermutlich getrost vernachlässigen. Du baust eher einen 
Trafo mit sehr schlechter Kopplung und bist im Nahfeld der 
Ferritantenne.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Matthias K.(DO4MKA) (kannichauch)

>Trotzdem sollte man einmal prüfen, ob es bereits brauchbare
>Funkanwendungen unter Wasser gibt.

Meine bisherige Recherche hat nicht viel ergeben. Es gibt wohl ein wenig 
UW-Kommunikation auf Ultraschallbasis.

>magnetischer Komponente. Es gibt keine reinen "Magnetwellen"!

Stimmt, aber es gibt (nahezu) reine Magnetfelder, aka Nahfeld. ;-)

> Man könnte
>auch einmal prüfen, wie weit man ein magnetisches Wechselfeld messen
>kann.

Mit einer Ferritantenne?

>> Doch wie berechnet man die mag. Feldstärke einer Ferritantenne in x m

>Es gibt keine bestimmte Feldstärke einer Antenne.

Aber sicher!

> Gibst Du viel Energie
>drauf, hast Du eine hohe Feldstärke.

Ach was?

> Was ist x m ?

x Meter.


>Was Du jetzt meinst, hängt mit der Polung der Felder sich ausbreitender
>Wellen zusammen. Die Feldstärke einer Ferritantenne entsteht sehr wohl
>in Längstrichtung,

Dort ist ein Minimum!!! Siehe Richtcharakteristik!

> was wiederum nichts mit der Ausbreitungsrichtung von
> elektromagnetischen Wellen zu tun hat.

Nein, aber mit dem Wechselfeld der Spule/Antenne.

>> Also, wie berechnet man die magnetische Feldstärke bei 90 Grad zum
>> Ferritstab (Maximum im Antennendiagramm)?
>Siehe oben.

Sehr hilfreich . . .

>Die Ferritantenne fischt eine gewisse Menge Energie heraus, falls sie
>auch mit einem Lastwiderstand abgezapft wird. Diese Energie hängt ab von
>der Senderstärke, der Entfernung und der Baugröße der Antenne. Dann
>können wir weitersehen. (Oder, ja, wer kann das ausrechnen??)

Apfelmus ist Mus aus Äpfel. Wer hätte das gedacht . . .

Und DU hast ein echtes Afu-Rufzeichen? Hmm . . .

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Martin O. (ossi-2)

>Bei 125kHz ist die Wellenlänge ca 2km. Deine gesamte Geometrie ist also
>sehr klein verglichen zur Wellenlänge und man kann jegliche
>Welleneffekte vermutlich getrost vernachlässigen. Du baust eher einen
>Trafo mit sehr schlechter Kopplung und bist im Nahfeld der
>Ferritantenne.

Soweit ist mir das alles klar, aber es fehlt der Ansatz für die 
Feldstärke. FEM, naja, ich hab hier Maxwell 2D. Mal schauen.

Das ist doch eigentlich ein Standardfall, da muss es doch auch eine 
Standardformel geben!

Autor: Falk Brunner (falk)
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https://de.wikipedia.org/wiki/Zylinderspule#Magnet...

"Für lange Zylinderspulen mit l ≫ r {\displaystyle l\gg r} l\gg r ergibt 
sich daraus, dass die magnetische Feldstärke innerhalb der Spule auf der 
Achse den näherungsweise konstanten Wert

    H ≈ I N l {\displaystyle H\approx {\frac {IN}{l}}} H\approx {\frac 
{IN}{l}}

hat und außerhalb sehr schnell auf Null absinkt."

Na das wollen wir mal nicht hoffen ;-)

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Vermutlich willst Du nicht ne Luftspule nehmen, sondern eine mit 
Ferritkern.
Ich glaube nicht, dass es da ne einfache Formel gibt. Man würde 
vermutlich ein äquivalentes "Dipolmoment einer Spule" berechnen. Im 
Elektorbeitrag und
im Download sind funktionierende Berechnungen für FEMM dabei.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Die Maßeinheit ist ja A/m (Ampere pro Meter).
Also würde ich mal sagen, Strom mal Windungszahl
durch die Länge der Feldlinie (in Meter). Die Feldlinie
ist ja ein geschlossener Ring und mit zunehmenden Abstand
immer größer und damit die Feldstärke immer kleiner.

So wie es auch bei der Elektrischen Feldstärke ist.
Da ist die Maßeinheit ja V/m (Volt pro Meter).
Also Spannung durch die Länge der Feldlinie.

Autor: Falk Brunner (falk)
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Hmm, ein Lichtblick?

Siehe Anhang, Seite 3, Gleichung 5.

Wenn wir mal annehmen

z=0 (Messung auf der x-Achse)
z'=0 (Ring auf der x-Achse)
X=20m
R=0,5m
I=1A

Das macht dann "satte" 9,7pT (PICO Tesla) bzw. 7,8uA/m.

D.h. man kann/muss den Strom/Durchflutung noch um Faktor ~250 steigern, 
um auf die zulässigen 2mA/m zu kommen. Da ist noch Luft nach oben . . .

An meiner geplanten Ferritantenne mit ca. 8mm Durchmesser macht das dann 
ca.
76nV Eingangsspannung, mit einer angenommenen Güte von 100 immerhin 
7,6uV. Hmmmm.

Da muss ich erstmal drüber schlafen . . . Gute Nacht.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Der Einfluss der Ferritstäbe ist aber erheblich, und vermutlich nicht 
einfach in eine exakte Formel fassbar. In einigem Abstand vom Ferritstab 
kann man diesen vermutlich als Luftspule modellieren, muss aber deren 
Parameter unter Berücksichtigung des Ferritmaterials berechnen.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Martin O. schrieb:
> Der Einfluss der Ferritstäbe ist aber erheblich

Sollte der nicht in erster Näherung als Vergrößerung der Feldstärke
um µ_r modellierbar sein?

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ein Ferritstab ist sozusagen ein Ringkern mit sehr sehr grossem 
Luftspalt. Da ist das effektive mue viel kleiner als das Material-mue. 
Und ich glaube dass es zwei Dinge gibt, die der Ferritstab bewirkt: 
Erhöhung der Induktivität und Erhöhung der sozusagen wirksamen 
Antennen/Spulenfläche durch "Anziehen" der Feldlinien. Bei einem 
Ringkern ist der zweite Effekt (Kopplung an externe Felder) sozusagen 
sehr klein, der erste Effekt gross. Das zeigt, dass man beide Effekte 
unterscheiden muss.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Martin O. (ossi-2)

>Der Einfluss der Ferritstäbe ist aber erheblich,

Ja, sonst würde man keinen nutzen ;-)

>und vermutlich nicht
>einfach in eine exakte Formel fassbar.

Diverse Afu-Seiten nehmen als Abschätzung an, daß eine Ferritantenne mit 
Länge L ca. einer Rahmenantenne mit Durchmesser L entspricht.

> In einigem Abstand vom Ferritstab
>kann man diesen vermutlich als Luftspule modellieren, muss aber deren
>Parameter unter Berücksichtigung des Ferritmaterials berechnen.

So in etwa.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator)

>Sollte der nicht in erster Näherung als Vergrößerung der Feldstärke
>um µ_r modellierbar sein?

Die Feldstärke H bleibt gleich, aber die Flußdichte B steigt um u0 * 
u_r.

Autor: Henrik (Gast)
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Je nach Anwendung evtl auch mal über (Ultra)Schallsender nachdenken.
Der Tastendruck hat dann gleich ein Feedbackpieps der drei 
unterschiedliche Modulationen hat.

Autor: Theor (Gast)
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@ Falk

Ich würde gerne wissen, ob ich Dich richtig verstanden habe: Du willst 
eine Ferritantenne unter Wasser als Sendeantenne verwenden. Stimmt das?

Autor: Christian Kück (Firma: MPS) (chris111)
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Auf einige 10m geht das, die Dämpfung von Wasser ist sehr hoch, von 
Salzwasser noch größer. Ich würde mal mit einem einfachen AM LW Sender 
mit Ferritstabantenne und einem LW Radio ein paar Versuche machen.

Mit freundlichen Grüßen
Christian

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Theor (Gast)

>Ich würde gerne wissen, ob ich Dich richtig verstanden habe: Du willst
>eine Ferritantenne unter Wasser als Sendeantenne verwenden. Stimmt das?

Ja.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Christian Kück (Firma: MPS) (chris111)

>Salzwasser noch größer. Ich würde mal mit einem einfachen AM LW Sender
>mit Ferritstabantenne und einem LW Radio ein paar Versuche machen.

Genau das tue ich, aber ich hätte schon gern vorher mal eine grobe, 
theoretische Abschätzung.

Autor: Christian Kück (Firma: MPS) (chris111)
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So nach 10 Sekunden googeln:
https://pdfs.semanticscholar.org/424f/0add8f6888db...

Mit freundlichen Grüßen
Christian

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Christian K. schrieb:
> So nach 10 Sekunden googeln:

… ist er nicht viel schlauer als vorher.

Davon abgesehen, dass sich der Artikel auf 1,8 MHz bezieht (was schon 
mal
deutlich anders als die angestrebten 125 kHz sind), Falks Frage ging
ganz speziell um Ferritantennen, und dazu lesen wir dort:
Design of underwater antennas is beyond the scope of this article, […]

Autor: Christian Kück (Firma: MPS) (chris111)
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Wer lesen kann ist klar im Vorteil. Es werden Dämpfungsangaben für einen 
großen Frequenzbereich dargestellt (inkl. 125 kHz) sowohl was Refraktion 
an der Oberfläche, als auch die Dämpfung in Salzwasser und Süßwasser 
angeht. Der TE kann sich daraus sein Link-budget errechnen. Er ist zwar 
noch im magnetischen Nahfeld, die Verluste ergeben sich auch für ein 
Magnetfeld durch die Leitfähigkeit des Mediums wie beim Skin-Effekt. 
Wenn er die Ferritantennen vereinfacht als Dipolantenne annimmt, hat er 
deren Wirkungsgrad nach oben abgeschätzt. Sie sind meist deutlich 
schlechter aber immer noch besser anpassbar, wie ein extrem verkürzter 
Dipol.
Das Richtdiagramm einer Ferritantenne entspricht einem Dipol, also ist 
der grundsätzliche Anntenngewinn vergleichbar dem eines Dipols. In der 
Realität hat er noch zusätzliche Verluste. Die Verluste seiner Antenne 
sind für das link-Budget sicher das kleinere Problem.

Wünscht sich der TE nur die Information Taster an oder aus, und kann 
eine Verzögerungszeit verkraften, so kann er mit geeigneter Codierung 
weit unter dem Rauschen einer normalen Audioverbindung arbeiten (ähnlich 
GPS).

Mit freundlichen Grüßen
Christian

: Bearbeitet durch User
Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Christian K. schrieb:
> Der TE kann sich daraus sein Link-budget errechnen.

Er sucht aber eine Berechnungsgrundlage für die entstehende Feldstärke,
denn die gesetzlichen Regelungen schreiben Feldstärkegrenzwerte in
10 m Entfernung vor, die es einzuhalten gilt.

Das Medium „Wasser“ kann man dabei auch erstmal in der Betrachtung
weglassen, denn solange man nicht gerade technisch absichern will,
dass das Gerät erst beim Erreichen der entsprechenden Wassertiefe
sein Magnetfeld absondert, muss man die Grenzwerte ja auch an der
Luft einhalten.

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Guido B. (guido-b)
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Falk B. schrieb:
>>Sollte der nicht in erster Näherung als Vergrößerung der Feldstärke
>>um µ_r modellierbar sein?
>
> Die Feldstärke H bleibt gleich, aber die Flußdichte B steigt um u0 *
> u_r.

Oops, denke noch mal drüber nach (im Kern und außerhalb)!

: Bearbeitet durch User
Autor: Theor (Gast)
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Falk B. schrieb:
> @Theor (Gast)
>
>>Ich würde gerne wissen, ob ich Dich richtig verstanden habe: Du willst
>>eine Ferritantenne unter Wasser als Sendeantenne verwenden. Stimmt das?
>
> Ja.

Aha. Danke. Interessantes Thema.

Autor: Christian Kück (Firma: MPS) (chris111)
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Hier kommst Du von einer magnetischen Loop Antenne auf eine Feldstärke 
im Nahfeld. Um eine 10cm Durchmesser Loop kannst Du 1600 Amperewindungen 
schicken bis Du 66dbuA/m in 10m Entfernung erreichst. Überschlägig bist 
du damit an der Sättigungsgrenze von Ferrit (0.2 Tesla)

http://www.compeng.com.au/rf-calculator/

Schätze das bei 125kHz die Oberwellen eine viel stärkere Einschränkung 
ergeben, da du dort normale EN55022 Grenzwerte einhalten mußt.

Grenzwerte induktive Funkanwendungen Seite 10:
http://emf3.bundesnetzagentur.de/pdf/ISM-BNetzA.pdf

Mit freundlichen Grüßen
Christian

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Christian Kück (Firma: MPS) (chris111)

>http://www.compeng.com.au/rf-calculator/

Genau das habe ich gesucht! Danke.

Autor: Bernhard S. (gmb)
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Christian K. schrieb:
> Das Richtdiagramm einer Ferritantenne entspricht einem Dipol, also ist
> der grundsätzliche Anntenngewinn vergleichbar dem eines Dipols. In der
> Realität hat er noch zusätzliche Verluste. Die Verluste seiner Antenne
> sind für das link-Budget sicher das kleinere Problem.

Bei rein magnetischer Induktion - dieser Anwendungsfall ist hier geplant 
- hat die Ferritantenne keine Richtwirkung! Die magnetische Feldstärke 
ist in einiger Entfernung von der Ferrit- oder Rahmenantenne in alle 
Richtungen gleich groß. Die Empfangsspule muss entsprechend der lokalen 
Magnetfeldrichtung ausgerichtet werden, so dass der magnetische Fluss 
maximal die Spule durchsetzt.
In dem Zusammenhang kann dann auch nicht sinnvoll von einem 
Antennengewinn gesprochen werden, da es zu fast keiner Abstrahlung kommt 
bzw. dieser sehr kleine Effekt für diese Anwendung keine Rolle spielt.

Im Übrigen weiß man aus dem Bereich der Metallsuchgeräte, dass es eine 
optimale Größe für die Antenne gibt, um in einer bestimmten Entfernung 
maximale Feldstärke zu erzeugen (und die dort liegende Goldmünze etc. 
optimal zu detektieren). Die optimale Größe der Antenne hat in meiner 
Erinnerung etwa die Kantenlänge der gewünschten Entfernung, so von der 
Größenordnung. Man kann das genau ausrechnen. Übertragen auf die hier 
gewünschte Anwendung wäre eine Rahmenspule von mehreren Metern 
Kantenlänge viel besser - wenn das mechanisch realisierbar ist.

Der Grund für diesen Zusammenhang ist folgender: Nahe am Draht der Spule 
fällt die magnetische Feldstärke mit 1/r, etwas weiter weg mit 1/r² aber 
wenn man noch weiter weg geht (ca. mehr als eine Kantenlänge entfernt) 
dann geht das in 1/r³ über. Eine sehr große Spule mit wenigen Windungen 
erzeugt im Nahbereich ein kleineres Feld als eine kleine mit vielen 
Windungen. Dafür kommt man erst bei größerer absoluter Entfernung in den 
1/r³ Bereich, wo die Feldstärken schnell kleiner werden. 1/r³ für die 
magnetische Feldstärke bedeutet 1/r³ für die induzierte Spannung. D.h. 
bei doppelter Entfernung fällt das Signal der Empfangsspule auf 1/8 der 
Spannung oder 1/64 der Leistung.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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"Die magnetische Feldstärke
ist in einiger Entfernung von der Ferrit- oder Rahmenantenne in alle
Richtungen gleich groß.."

Das bezweifele ich, weil das Feld einer Ferritantenne schon in geringer 
Entfernung dem Feld eines Drahtringes (=Dipolfeld) ähnelt, mit der 
bekannten Richtungsabhängigkeit. Simulationen mit FEMM oder ähnlichem 
bestätigen das.

Ferritantennen als Empfangsantennen haben ja auch die bekannte 
Richtwirkung. Und ich glaube entsprechend dem Babinet'schen Prinzip 
entsprechen sich Sende- und Empfangsantennen.

Autor: Bernhard S. (gmb)
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>Das bezweifele ich, weil das Feld einer Ferritantenne schon in geringer
>Entfernung dem Feld eines Drahtringes (=Dipolfeld) ähnelt, mit der
>bekannten Richtungsabhängigkeit. Simulationen mit FEMM oder ähnlichem
>bestätigen das.

Richtungsabhängigkeit ja, aber nur was die Richtung der Feldlinien 
betrifft, nicht die Stärke des Magnetfeldes (=Dichte der Feldlinien)!

>Ferritantennen als Empfangsantennen haben ja auch die bekannte
>Richtwirkung.

Sie müssen auf den magnetischen Fluss ausgerichtet werden - ja. Aber ob 
die Erzeugerspule vor der Empfangsantenne, dahinter, über oder unter ihr 
ist, ist egal!

>Und ich glaube entsprechend dem Babinet'schen Prinzip
>entsprechen sich Sende- und Empfangsantennen.

Ich weiß nicht ob man das anwenden kann, wenn es nicht um EM Wellen geht 
sondern nur magnetische Induktion.

: Bearbeitet durch User
Autor: Martin O. (ossi-2)
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Dann ist eine Ferritantenne als Sendeantenne omnidirektional ?

Wenn ich in die Formel für den magn. Dipol als Ort entweder einen Ort
auf der Achse in Entfernung r oder innerhalb der Ringebene im Abstand r
einsetze bekomme ich zumindest verschiedene Feldstärken raus.

Autor: Bernhard S. (gmb)
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> Dann ist eine Ferritantenne als Sendeantenne omnidirektional ?

Bei rein magnetischer Induktion ja, das ist quasi der perfekte isotrope 
Rundstrahler :-) ... ok das Wort ist nicht ganz richtig, weil in dem 
Fall nichts "abgestrahlt" wird.

Bei EM Wellen Abstrahlung kommt natürlich die bekannte Richtwirkung 
zustande, die man auch von der Dipolantenne kennt.

> Wenn ich in die Formel für den magn. Dipol als Ort entweder einen Ort
> auf der Achse in Entfernung r oder innerhalb der Ringebene im Abstand r
> einsetze bekomme ich zumindest verschiedene Feldstärken raus.

Aber nicht sehr verschieden? Du musst weit genug von der Antenne 
entfernt sein, je weiter weg desto mehr dürfte die Feldstärke in alle 
Richtungen gleich sein.

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