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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik EMV Schirm Schlitz


Autor: Stefan (Gast)
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Hallo zusammen, wie der Thread-Titel bereits sagt, beschäftige ich mich 
zur Zeit mit der Auswirkung von Schlitzen in EMV-Schirmen. In 
verschiedenen Artikeln zu diesem Thema findet man die Info, dass 
Schlitze in Schirmen keine Auswirkung auf die Schirmwirkung haben, wenn 
die Schlitzgröße klein gegenüber der Wellenlänge der elektromagnetischen 
Welle ist. Wie zu lesen ist, stellt ein Schlitz hinsichtlich der 
Schirmung erst dann ein Problem dar, wenn die Größe des Schlitzes größer 
als ein zehntel der Wellenlänge der auftreffenden elektromagnetischen 
Welle ist.
Soweit, so gut. Wo ich jetzt allerdings Probleme habe ist die bildhafte 
Vorstellung. Als Diskussionsgrundlage habe ich eine Skizze im Anhang 
beigefügt. Diese zeigt die Draufsicht einer Metallplatte mit einem 
Schlitz. Die elektromagnetische Welle soll senkrecht auf die Metallpatte 
treffen. Ich hätte gerne Meinungen zur Korrektheit dieser Skizze. Habe 
ich die elektromagnetische Wellen für diesen Fall richtig eingezeichnet? 
In diese Skizze darf bei Bedarf gerne hineingezeichnet werden;)

Autor: Joe F. (easylife)
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Guck dir mal an, wie eine Schlitzantenne funktioniert. Im Prinzip ist 
der Schlitz im Schirm nichts anderes. Je kleiner er im Vergleich zur 
(halben) Wellenlänge ist, desto schlechter ist seine Eignung als 
Schlitzantenne.

PS: in deinen Bildern ist glaube ich irgendwie "kleiner" und "großer" 
Schlitz gerade verkehrt herum beschriftet.

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Autor: Stefan (Gast)
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Joe F. schrieb:
> Guck dir mal an, wie eine Schlitzantenne funktioniert. Im Prinzip ist
> der Schlitz im Schirm nichts anderes. Je kleiner er im Vergleich zur
> (halben) Wellenlänge ist, desto schlechter ist seine Eignung als
> Schlitzantenne.

Vielen Dank für den Hinweis. Das habe ich jetzt gerade gemacht. Aber was 
ich suche ist ein Bild, auf dem gezeigt wird, wie die 
elektromagnetischen Wellen auf die Metallplatte (mit Schlitz) treffen. 
Denn ich bin mir alles andere als sicher, ob ich die elektromagnetischen 
Wellen in meinem Bild richtig eingezeichnet habe. Kann mir da jemand 
Feedback geben?

Joe F. schrieb:
> PS: in deinen Bildern ist glaube ich irgendwie "kleiner" und "großer"
> Schlitz gerade verkehrt herum beschriftet.

Richtig erkannt. Ich habe den Fehler jetzt im beigefügten Bild 
korrigiert.

Autor: Joe F. (easylife)
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Stefan schrieb:
> Denn ich bin mir alles andere als sicher, ob ich die elektromagnetischen
> Wellen in meinem Bild richtig eingezeichnet habe.

Ich würde die Welle eher senkrecht zur Abschirmebene zeichnen.
Jeweils mit gleicher Frequenz, nur die Schlitzgröße variieren.
Bei einem Schlitz mit etwa lambda/2 -> Welle geht (symbolisch) mit 
voller Amplitude durch, Schlitz mit lambda/10 -> Welle wird stark 
abgeschwächt (einfach kleinere Amplitude hinter der Schirmung zeichnen).

: Bearbeitet durch User
Autor: Stefan (Gast)
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Joe F. schrieb:
> Ich würde die Welle eher senkrecht zur Abschirmebene zeichnen.
> Jeweils mit gleicher Frequenz, nur die Schlitzgröße variieren.
> Bei einem Schlitz mit etwa lambda/2 -> Welle geht (symbolisch) mit
> voller Amplitude durch, Schlitz mit lambda/10 -> Welle wird stark
> abgeschwächt (einfach kleinere Amplitude hinter der Schirmung zeichnen).

Ich habe das Ganze jetzt einmal so umgesetzt( siehe Bilder im Anhang).

Aber nach wie vor fehlt mir eine Vorstellung, warum das Ganze von der 
Wellenlänge abhängt. Wie kann man sich das physikalisch erklären? Das 
muss doch mit der Reflexion elektromagnetischer Wellen an Metallen 
zusammenhängen. Da ist es ja auch so, dass die Welle nur dann am Metall 
reflektiert wird, wenn die Ausmaße der Metallplatte groß gegenüber der 
Wellenlänge sind. Wenn die Ausmaße der Metallplatte dagegen klein 
gegenüber der Wellenlänge sind, ist das zeitlich ändernde Magnetfeld in 
jedem betrachteten Zeitpunkt in der Platte gleich groß. Deshalb wird in 
diesem Fall nichts reflektiert.

Um mir diesen Zusammenhang klar zu machen, habe ich jetzt einmal noch 
ein 3. Bild angehängt, in dem die Metallplatte keinen Schlitz hat und 
die Wellenlänge einmal groß und einmal klein gegen die Ausmaße (hier 
Breite der Platte) ist. Wenn ich die Wellen in den Bildern richtig 
eingezeichnet habe, dann ist die Wellenlänge senkrecht zur 
Plattenbreite. Und genau das ist mein momentanes Problem beim 
Verständnis. Mir fehlt die Vorstellung warum das Verhältnis 
Plattenbreite/Wellenlänge einen Einfluss auf das Magnetfeld hat, das die 
Platte "sieht". Vielleicht kann mir ja jemand eine Erklärung durch 
Ergänzungen in meinen Skizzen liefern.

Autor: Joe F. (easylife)
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Stefan schrieb:
> Aber nach wie vor fehlt mir eine Vorstellung, warum das Ganze von der
> Wellenlänge abhängt. Wie kann man sich das physikalisch erklären? Das
> muss doch mit der Reflexion elektromagnetischer Wellen an Metallen
> zusammenhängen. Da ist es ja auch so, dass die Welle nur dann am Metall
> reflektiert wird, wenn die Ausmaße der Metallplatte groß gegenüber der
> Wellenlänge sind. Wenn die Ausmaße der Metallplatte dagegen klein
> gegenüber der Wellenlänge sind, ist das zeitlich ändernde Magnetfeld in
> jedem betrachteten Zeitpunkt in der Platte gleich groß. Deshalb wird in
> diesem Fall nichts reflektiert.

Für die Reflexion ist das elektrische Feld entscheidend. Aluminium 
(nichtmagnetisch) ist ein hervorragender Reflektor.
Das elektrische Feld verschiebt an der Oberfläche des Reflektors 
Elektronen synchron zur auftreffenden Welle. Und zwar aufgrund des 
Skin-Effektes nur auf der der auftreffenden Welle zugewandten 
Oberfläche.
Diese Oberfläche verhält sich dann wie eine Sende-Antenne, die die Welle 
wieder in umgekehrter Richtung abstrahlt.
Die Ladungsverschiebung findet im Inneren des Reflektors nicht mehr 
statt, so dass auf der der auftreffenden Welle abgewandten Seite kein 
Feld aufgebaut wird (Schirmwirkung).
Und jetzt kannst du dir leicht überlegen, wenn die Oberfläche im 
Verhältnis zur Wellenlänge klein ist, ist sie für diese Wellenlänge 
keine gute Antenne mehr, kann also die Welle nicht mehr gut 
zurückreflektieren.

Ein Schlitz in einer großen (also gut reflektierenden Oberfläche) 
wiederum sorgt dafür, dass die Ladungsverschiebung (=Strom) auf der der 
Welle zugewandten Seite auf der Oberfläche des Schlitzes zur Rückseite 
hindurchgeleitet werden kann. Wenn jetzt die Schlitzlänge günstig im 
Verhältnis zur Wellenlänge ist, hast du auf der Rückseite des Schirms im 
Bereich des Schlitzes Ladungsverschiebungen synchron zur Welle auf der 
Vorderseite.
Der Schlitz arbeitet jetzt also wiederum als Sende-Antenne zur 
rückwärtigen Seite, und es sieht also so aus, als ob die Welle "durch 
den Schlitz" hindurchgeht. In Wirklichkeit induziert die auftreffende 
Welle im Schirmmaterial einen oberflächlichen Strom, der dann auf der 
Rückseite wiederum ein Feld erzeugt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Joe F. (easylife)
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Hier gibt es übrigens ein wirklich tolles Java-Applet zum interaktiv 
rumprobieren und Lernen:

http://www.falstad.com/emwave1/fullscreen.html
http://www.falstad.com/emwave1/

Viel Spaß.

Autor: Stefan (Gast)
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Erst einmal vielen Dank an Joe F. für die ausführliche Erklärung.

Joe F. schrieb:
> Das elektrische Feld verschiebt an der Oberfläche des Reflektors
> Elektronen synchron zur auftreffenden Welle.

Kann man diesen Effekt auch als Induktionsspannung bzw. Induktionsstrom 
bezeichnen?

Joe F. schrieb:
> Wenn jetzt die Schlitzlänge günstig im
> Verhältnis zur Wellenlänge ist, hast du auf der Rückseite des Schirms im
> Bereich des Schlitzes Ladungsverschiebungen synchron zur Welle auf der
> Vorderseite.

Ich habe jetzt einmal die Schlitzlänge und die Schlitzbreite in das Bild 
mit dem Schlitz eingezeichnet. Passt diese Begriffsdefinition zu deinen 
Erklärungen?
Irgendwie ist mir aus physikalischer Sicht noch nicht ganz klar, warum 
die Reflexion vom Verhältnis Schlitzlänge/Wellenlänge zusammenhängt. 
Dass die auftretenden Reflexionen bei kleinerer Wellenlänge (bei 
gleicher Schlitzlänge und gleicher Plattengröße) zunehmen, hängt ja 
vermutlich damit zusammen, dass mehr unterschiedliche elektrische Felder 
(Spannungen/Ströme) im Metall aufreten. Richtig? Kann man sich das 
überhaupt bildhaft an meinem Bild vorstellen?

Joe F. schrieb:
> Hier gibt es übrigens ein wirklich tolles Java-Applet zum interaktiv
> rumprobieren und Lernen:
>
> http://www.falstad.com/emwave1/fullscreen.html
> http://www.falstad.com/emwave1/

Dieses Applet schaut sehr interessant aus. Aber ich habe es bisher nicht 
geschafft wie du gleichzeitig eine Antenne und eine Platte mit Schlitz 
in einer Simulation einzubauen. Gibt es da einen Trick? Bzw. welche 
Einstellungen muss ich dafür wählen?
Die Pfeile kennzeichnen das elektrische Feld und die roten und grünen 
Farben das magnetische Feld. Richtig?

Autor: Stefan (Gast)
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Also dieses Applet ist wirklich gut. Hab jetzt gerade mal verschiedene 
Sachen getestet. Der stromdurchflossene Stab ist die Antenne. Sollen die 
roten bzw. grünen Bereiche Nord- und Südpol des magnetischen Feldes 
darstellen?
Ich habe jetzt einmal Wellenlänge/Antennenlänge so eingestellt, dass 
keine Welle ausgesendet wird. In das sich zeitlich ändernde Magnetfeld 
habe ich einen Leiter gebracht, dessen Enden ich kurzgeschlossen habe 
(siehe Anhang). Allerdings wundert mich, dass die Stromrichtung im 
Leiter immer gleich ist, egal ob der Leiter vom grünen oder roten 
Bereich des Magnetfelds durchsetzt wird. Normalerweise sollte man ja 
denken, dass durch das sich ändernde Magnetfeld im Leiter ein 
Wechselstrom mit sich ändernder Flussrichtung induziert wird. Ist das 
ein Fehler des Applets?

Autor: Joe F. (easylife)
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Man muss, wenn man an der Simulation irgendetwas geändert hat, die 
Felder zurücksetzen ("Clear Fields" Button). In deinem Fall ist in 
deiner Leiterschleife irrtümlich ein sehr großes Magnetfeld entstanden.
Man kann auch eine stromdurchflossene Schleife als Quelle simulieren. 
Mit einer entsprechend niedrigen Frequenz sieht man auch schön die 
Umkehrung des Stromflusses. Deine Leiterschleife sollte ja komplett im 
Magnetfeld (dass zur Leiterschleife senkrecht steht) eingebettet sein.

Autor: Stefan (Gast)
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Joe F. schrieb:
> Man muss, wenn man an der Simulation irgendetwas geändert hat, die
> Felder zurücksetzen ("Clear Fields" Button).

Vielen Dank für diesen wichtigen Hinweis.

Ich habe das Ganze jetzt einmal entsprechend geändert (siehe Anhang). 
Jetzt ändert sich der Stromfluss in der Leiterschleife. Allerdings 
verwundert mich etwas, dass laut dem Applet rechts von meiner 
Leiterschleife kein Magnetfeld auftritt. Ich würde eigentlich erwarten, 
dass der Stromfluss im rechten Teil der Leiterschleife zu einem 
Magnetfeld führt. Wird dieser Effekt vom Applet wirklich korrekt 
modelliert?

Autor: Joe F. (easylife)
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Stefan schrieb:
> Wird dieser Effekt vom Applet wirklich korrekt
> modelliert?

Natürlich nicht. Die Ungenauigkeiten ergeben sich aus mehreren Faktoren: 
die Wirklichkeit wird in diskreten Schritten simuliert, die simulierte 
Fläche ist winzig klein, und das simulierten Universum hört am 
Bildschirmrand auf.
Deine Strukturen sind also unrealistisch nah beieinander, und gehen bis 
fast an den Rand des Universums. Nimm eine größere Fläche, kleinere 
Zellen, kleinere Strukturen und probiere mal die planaren Wellen aus.

: Bearbeitet durch User
Autor: Stefan (Gast)
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Joe F. schrieb:
> Nimm eine größere Fläche, kleinere
> Zellen, kleinere Strukturen und probiere mal die planaren Wellen aus.

Könntest Du vielleicht kurz erklären, wie man das mit diesem Applet 
genau macht? Zum Beispiel wüsste ich jetzt nicht gerade wie ich da eine 
größere Fläche nehmen kann bzw. wie ich planare Wellen auswähle.

Autor: Stefan (Gast)
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Ich habe mir gerade noch einmal die Erklärung von Joe F. zur Reflexion 
elektromagnetischer Wellen an Metallen angeschaut:

Joe F. schrieb:
> Für die Reflexion ist das elektrische Feld entscheidend. Aluminium
> (nichtmagnetisch) ist ein hervorragender Reflektor.
> Das elektrische Feld verschiebt an der Oberfläche des Reflektors
> Elektronen synchron zur auftreffenden Welle. Und zwar aufgrund des
> Skin-Effektes nur auf der der auftreffenden Welle zugewandten
> Oberfläche.
> Diese Oberfläche verhält sich dann wie eine Sende-Antenne, die die Welle
> wieder in umgekehrter Richtung abstrahlt.
> Die Ladungsverschiebung findet im Inneren des Reflektors nicht mehr
> statt, so dass auf der der auftreffenden Welle abgewandten Seite kein
> Feld aufgebaut wird (Schirmwirkung).

Also ich verstehe das so, dass die auftreffende Welle im Metall zu einer 
Ladungstrennung (Induktion einer Spannung) und damit zu einem 
elektrischen Feld führt, das wiederum (falls Oberfläche groß gegen 
Wellenlänge) zu einer reflektierten Welle führt. Sehe ich das so 
richtig?

Joe F. schrieb:
> Ein Schlitz in einer großen (also gut reflektierenden Oberfläche)
> wiederum sorgt dafür, dass die Ladungsverschiebung (=Strom) auf der der
> Welle zugewandten Seite auf der Oberfläche des Schlitzes zur Rückseite
> hindurchgeleitet werden kann.

Mich irritiert hier das Wort "Strom". Fließt denn bei der Reflexion von 
Wellen an Metallen wirklich Strom oder kommt es nur zu einer 
Ladungstrennung (Spannung, elektrisches Feld)? Denn wenn ich das Ganze 
jetzt mit dem Fall einer Metallplatte in einem sich langsam ändernden 
Magnetfeld (quasistatischer Fall) vergleiche, entsteht an den Enden der 
Platte durch Ladungstrennung zwar eine Induktionsspannung, ein Strom 
würde aber nur fließen, wenn man die Enden der Platte miteinander 
verbinden würde.

Autor: Joe F. (easylife)
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Stefan schrieb:
>> Nimm eine größere Fläche, kleinere
>> Zellen, kleinere Strukturen und probiere mal die planaren Wellen aus.
>
> Könntest Du vielleicht kurz erklären, wie man das mit diesem Applet
> genau macht?

So ein bisschen beginne ich ja an deinen Fähigkeiten zu zweifeln... ;-)
a) Nimm die Fullscreen Variante des Applets oder das standalone Java 
Applikation, die man von der Seite downloaden kann, und drehe den 
Resolution Regler hoch.

b) Planare Wellen: 1. Dropdown-Menu, erster Punkt "Setup: Plane Wave"

Stefan schrieb:
> Mich irritiert hier das Wort "Strom". Fließt denn bei der Reflexion von
> Wellen an Metallen wirklich Strom oder kommt es nur zu einer
> Ladungstrennung (Spannung, elektrisches Feld)? Denn wenn ich das Ganze
> jetzt mit dem Fall einer Metallplatte in einem sich langsam ändernden
> Magnetfeld (quasistatischer Fall) vergleiche, entsteht an den Enden der
> Platte durch Ladungstrennung zwar eine Induktionsspannung, ein Strom
> würde aber nur fließen, wenn man die Enden der Platte miteinander
> verbinden würde.

Strom muss ja nicht immer im Kreis fließen. Wenn die Wellenlänge kürzer 
ist als der Leiter fließen die Elektronen im Leiter hin- und her.
Wenn sich Elektronen bewegen ist das Strom. Wie soll sich eine Ladung 
ändern, ohne dass sich Elektronen bewegen?

Autor: Stefan (Gast)
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Joe F. schrieb:
> Strom muss ja nicht immer im Kreis fließen. Wenn die Wellenlänge kürzer
> ist als der Leiter fließen die Elektronen im Leiter hin- und her.
> Wenn sich Elektronen bewegen ist das Strom. Wie soll sich eine Ladung
> ändern, ohne dass sich Elektronen bewegen?

Ich habe das mit der Induktion, aufgrund von Magnetfeldänderung, in 
einem Leiterstück aus dem Physikunterricht verglichen. Durch die 
auftretende Lorentzkraft werden Ladungen verschoben und an den Enden des 
Leiters entsteht eine Induktionsspannung. Ein Induktionsstrom fließt 
aber erst wenn man die beiden Leiterenden miteinander verbindet.

Autor: Stefan (Gast)
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Bei mir ist heute noch eine Frage aufgekommen, die gut zu diesem Thema 
passt. Ich habe als Anhang einen Screenshot des Falstad-Tools beigefügt. 
In dem habe ich das Verhältnis Leiterlänge/Wellenlänge so eingestellt, 
dass vom Leiter elektromagnetische Wellen ausgesendet werden und entlang 
des Leiters je ein gleich großes grünes und rotes Magnetfeld auftreten. 
Der Stromfluss im Leiter (Pfeile in Leiter) fließt dabei im Leiter in 2 
unterschiedliche Richtungen. Da ich mir nicht sicher bin, ob ich alles 
richtig verstanden habe, möchte ich hier mal ein paar Verständnisfragen 
stellen:

-Gehe ich Richtig in der Annahme, dass die Länge des Leiters exakt einer 
Wellenlänge des Stromes entspricht (weil je ein gleich großes rotes und 
grünes Magnetfeld entlang des Leiters ist)?

-Angenommen: Der Leiter ist 1 m lang. Wenn man davon ausgeht, dass der 
Strom mit Lichtgeschwindigkeit (300*10^6 m/s) durch den Leiter fließt 
(Annahme richtig?): Wäre dann die Frequenz des Stromes 300*10^6 Hz (also 
300*10^6 Schwingungen in einer Sekunde)?

-Ich finde es allgemein auf den ersten Blick recht seltsam, dass der 
Strom im Leiter gleichzeitig in 2 unterschiedliche Richtungen fließt. 
Kann das wirklich sein? Ich frage, weil ich mir gerade irgendwie nicht 
vorstellen kann, wie dann Stromfluss in nur eine Richtung entstehen 
kann, wenn man einen Verbraucher (z.B. Widerstand) an den Leiter 
anschließen würde.

Autor: Stefan (Gast)
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Irgendwie scheint meine Frage ein wenig untergegangen zu sein. Kann 
jemand was dazu sagen?

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