Warum braucht man Metall in Datenübertragungsleitungen?

Wissenschaft Physik
#1

Liebe/-r Experte/-in,
wenn man ein Twisted-Pair-Kabel nimmt, dann gehen daraus die elektromagnetischen Wellen, die das Signal übertragen, kaum verloren, weil durch die Verdrillung und die Signale im Kabel die elektromagnetischen Felder sich im Umfeld aufheben.
Wenn man nun aber das ganze Kabel nur aus Plastik macht, die Leiter also aus dem Kabel durch Kunststoff/Isolatoren ersetzt, warum kann man damit dann auf einmal keine elektromagnetischen Wellen mehr transportieren oder was würde geschehen?
Das müsste sich doch mit Gleichungen ausdrücken lassen, denn auch für Isolatoren existieren Gleichungen, wie sich dort elektromagnetische Wellen ausbreiten.
Aber warum muss es unbedingt ein Leiter sein, der die elektromagnetischen Wellen überträgt, zumal dich bei Hochfrequenz nicht mal unbedingt ein Strom fließt?
Sondern nur die Elektronen um ihre Ruhelage schwingen.
Oder ist in Isolatoren die Eigenschwingung so hochfrequent, dass sie das wesentlich niederfrequente Signal auf irgendeine Art und Weise zerstören würden?

Vielen Dank
Tim

#2

Hallo Tim,

in Isolatoren sind Elektronen nicht frei beweglich, sondern an die jeweiligen Atome gebunden. In Leitern dagegen gibt es ein „Leitungsband“, in dem Elektronen von einem zum nächsten Atom wechseln können. Dadurch kann hier Strom fliessen. Auch hochfrequenter Strom bedeutet Ladungsbewegung, die Elektronen müssen zwischen den Atomen wechseln können, wenn in diesem Fall auch hin und zurück.

Grüße,

Carsten

#3

Sorry, ich kann nicht helfen.

#4

Hallo Tim,

Isolatoren leiten nun mal keinen (oder nur extrem wenig) Strom, da sie keine freien Elektronen (in sog. Letungsbändern) enthalten. Dieser Strom (bzw. die Änderung des Stroms) führt erst dazu, dass ausserhalb des Leiters elektromagnetische Felder bzw. -wellen abgestrahlt werden. Ohne Strom bzw. Stromänderungen also keine Wellen. Die Verdrillung der Leiter in TP-Kabeln macht man nur, um den Störeffekt ‚Wellen‘ zu minimieren; damit sich z.B. nebeneinander liegende Kabel nicht gegenseitig zu stark durch Übersprechen beeinflussen. Gleichungen hierzu gibt es natürlich auch (-> Maxwellsche Gleichungen).

Gruss
bernhard

#5

Hallo,
aber man überträgt doch elektromagnetische Wellen, die auch ohne Trägermedium sich ausbreiten.
Also wozu braucht es dann die Ladungen, die sich im Leiter frei bewegen können, im Isolator nicht.
Es bräuchte doch keine Ladung, um elektromagnetische Wellen zu übertragen.
Also könnte man doch auch mit einem Isolator diese Wellen übertragen.
Es muss nur so beschaffen sein, dass an der Grenzschicht Luft und Kabel eben das meiste der Welle wieder ins Kabel reflektiert wird, oder?
Wie ist denn c von Radiowellen in Kunststoff, wahrscheinlich näherungsweise 1, sodass eben die Wellen von so 2,4 Ghz einfach hindurchdringen würden, wobei es bei Metallen nur 1/3 c ist, weshalb da kaum was an der Grenzschicht hindurchdringt, sondern hauptsächlich reflektiert wird.
Und das müsste doch mit der Beweglichkeit der Elektronen zusammenhängen. Weil die beim Metall in Resonanz gehen mit den Radiowellen und die im Isolator aufgrund der hohen Bindung an die einzelnen Atome halt kaum in Schwingung von den Radiowellen versetzt werden.
Hat das was miteinander zu tun?

#6

Lieber Tim,

ich habe leider nur Zeit für eine kurze Antwort. Ich denke, dass Du mit elektromagnetischen (EM) Wellen Radiowellen meinst. Generell wirst Du kein Metall verwenden, um eine elektromagnetische Welle zu leiten. Eine Radiowelle würde z. B. von einer Metallwand reflektiert, nur ein geringer Teil dringt ein und erzeugt in der Oberfläche einen Strom (Skin-Effekt). In einem metallischen Leiter leitest Du Strom (was in einem Isolator nicht möglich ist). Ein Wechselstrom erzeugt (!) hierbei eine EM Welle, die von dem Leiter abgestrahlt wird (Prinzip der Dipolantenne) und im Leiter stark gedämpft wird und sich daher dort kaum ausbreitet. Will man z. B. eine EM Welle (etwa Mikrowellen) leiten, so kann man einen Hohlleiter verwenden, in dem sich die Welle innerhalb des von Metall umgebenen Hohlraums ausbreitet, oder ein Koaxialkabel, bei dem sich TEM-Moden zwischen dem Innen- und Außenleiter bilden. Die Welle breitet sich im meist dazwischenliegenden Dielektrikum aus. Gerade in Nichtleitern kann eine nur schwach gedämpfte Ausbreitung der EM-Welle erfolgen. Ein gutes Beispiel ist Glas, in dem Licht (auch eine EM Welle) sich mit geringem Verlust ausbreiten kann. Unter Ausnutzung der Totalreflexion, sind Lichtleiter (Glasfaserkabel) möglich.

… ich hoffe, ich konnte ein wenig weiterhelfen.

#7

Hallo,
nur eine kurze Nachfrage:

Die EM wird deshalb so gut im Leiter gedämpft, weil sie dort gleich in einen Wechselstrom umgewandelt wird?

Soweit vielen Dank für Deine Mühe
Tim

#8

… genauso, wie die beschleunigte Bewegung (z. B. Oszillation) von Elektronen im Leiter eine EM-Welle erzeugt, kann eine EM-Welle Elektronen in einem Leiter zur Bewegung anregen. Man kann so einen Wechselstrom induzieren, der z. B. als Signal (Antenne!) in einem Empfänger verarbeitet wird. Bei der Reflexion einer EM-Welle emittieren die zuvor angeregten Wellen wieder Wellen. Da aber die Bewegung der Elektronen nicht reibungsfrei verläuft (Widerstand, Impedanz), wird auch Energie in Wärme (Verlust, Dämpfung) umgewandelt. Daher ist weder die Reflexion noch die Umwandlung in einen Wechselstrom verlustfrei. Dennoch entsteht in einer Antenne ein Wechselstrom, der seinerseits wieder mit einem gewissen Verlust sich im Leiter bewegt.

#9

Hallo,

aber man überträgt doch elektromagnetische Wellen, die auch
ohne Trägermedium sich ausbreiten.

Ja, aber eben nur relativ ungerichtet (je nach Charakteristik der Antenne schon mehr oder weniger gebündelt, aber doch dann in Sichtlinie und nicht entlang eines Wellenleiters).

Es bräuchte doch keine Ladung, um elektromagnetische Wellen zu
übertragen.

Stimmt (aber geradlinig).

Es muss nur so beschaffen sein, dass an der Grenzschicht Luft
und Kabel eben das meiste der Welle wieder ins Kabel
reflektiert wird, oder?

Richtig, das geht eben mit Metallen recht gut - z.B. kann man Wellenleiter für den GHz-Bereich gut mit Metallrohren bauen.

… weshalb da kaum was an der Grenzschicht hindurchdringt, sondern hauptsächlich reflektiert wird.

So einen Stoff aus Nichtmetallen zu bauen ist dann doch relativ schwierig; es gibt da zwar Forschungen in der Richtung (Stichwort: „Unsichtbarmachen“ von Gegenständen, in dem man die Wellen um ein Objekt herum leitet), die stecken aber noch ganz am Anfang …

Hat das was miteinander zu tun?

Ja, ist aber im Detail kompliziert (und spätestens an dieser Stelle komme ich dann auch sehr ins Schwimmen und müßte erst meine Bücher über Festkörperphysik und Elektrodynamik rauskramen , um mir genauere Antworten zusammenzusuchen).

gruss
bernhard

#10

… Leider keine Ahnung.
LG, Fidibus

#11

Der Unterschied hier ist, dass in einem Metalleiter der Strom durch elektrische Leitung und nicht durch Wellenleitung transportiert wird (in einem Metall gibt es auch keine „Ruhelage“ der Elektronen, sondern man nutzt das Modell eines freien Elektronengases).
Bei einem Wellenleiter kommt es auf dessen Fuellung an, wie hoch die Verluste sind (bei quasi allem ausser Luft/Vakuum unvertretbar hoch fuer effiziente Leitung) sowie auf den Durchmesser, ob die entsprechende Frequenz ueberhaupt geleitet werden kann. Desweiteren sind hier Kurven/Knicke ein Riesenproblem.

#12

Bei einem Wellenleiter kommt es auf dessen Fuellung an, wie
hoch die Verluste sind (bei quasi allem ausser Luft/Vakuum
unvertretbar hoch fuer effiziente Leitung)

Aber Lichtwellenleiter haben also Füllung einen Kunststoff, da scheint das Material wohl genau abgestimmt zu sein.

Ist das Modell zur Dämpfung der Wellen vertretbar:
Wenn ein Atom (ist besser als Festkörper, das dieser so viele diskrete Energiestufen hat, dass man ja als Näherung eine kontinuierliche Kurve annehmen kann) mit einer elektromagnetischen Welle (EW) wechselwirkt, dann geht das nur, wenn auch die Energiestufe in diesem Atom zu finden ist, also auf jeden Fall wechselwirkt nicht jede EW mit einem Atom.
Dann gibt es eben Energieniveaus, die wieder in einem Schritt zurückfallen (also keine Dämpfung, aber halt Verzögerung), aber die Energie kann nicht beliebig emittiert werden, sondern nur in Richtung positiver Interferenz und entsprechend der Wellenlehre.
Dann gibt es Energieniveaus, die halt nicht in einem Schritt abgeregt werden, sondern in mehreren und da gibts dann die Absorption.
Ich meine, so Niveaus gibts doch, die sehr stabil sind und die Möglichkeit existiert dann, dass es in mehreren Schritten emittiert wird und nur mit kleiner Wahrscheinlichkeit wieder an einem Stück, oder?
Die Idee hatte ich vor allem vom rechten Bild:
http://de.wikipedia.org/wiki/Helium-Neon-Laser#Aufba…

#13

Die Daempfung in einem Material haengt stark von der verwendeten Wellenlaenge ab. Das Atommodell ist hier nicht anwendbar, da man in einem FK statt diskreter Energieniveaus Baender hat und damit breite Bereiche von Wellenlaengen absorbieren kann.
Natuerlich gibt auch hier, dass die Energie noch dazu nicht zwingend in einem Schritt wieder freigegeben wird.
Bei Lichtwellenleitern verwendet man Materialien, die gerade fuer die Wellenlaengen von Licht nicht absorbieren. Man koennte natuerlich auch Materialien suchen, die das bei bestimmten Fenstern in anderen Wellenlaengenbereichen tun, aber normalerweise will man Kabel, die ein breites Frequenzspektrum leiten koennen.
Desweiteren ist auch die Daempfung von Licht in LWLs nicht unerheblich, weshalb man auch hier bei langen Strecken Repeater benoetigt, um den Signaltransport zu gewaehrleisten.

#14

Hallo!

wenn man ein Twisted-Pair-Kabel nimmt, dann gehen daraus die
elektromagnetischen Wellen, die das Signal übertragen, kaum
verloren, weil durch die Verdrillung und die Signale im Kabel
die elektromagnetischen Felder sich im Umfeld aufheben.

Das ist so nicht richtig. Ein Kabel transportiert elektrischen Strom und keine Wellen. Die elektromagnetischen Wellen können nur außerhalb des Leiters sein.

Wenn man nun aber das ga.nze Kabel nur aus Plastik macht, die
Leiter also aus dem Kabel durch Kunststoff/Isolatoren ersetzt,
warum kann man damit dann auf einmal keine elektromagnetischen
Wellen mehr transportieren oder was würde geschehen?

Elektromagnetische Wellen können sich im Vakuum, in Luft oder eben in Plastik ausbreiten. Kein Problem. Durch nicht-leitende Stoffe kann man elektromagnetische Wellen aber kaum lenken. Sie breiten sich im Wesentlichen kugelförmig aus.

Das müsste sich doch mit Gleichungen ausdrücken lassen, denn
auch für Isolatoren existieren Gleichungen, wie sich dort
elektromagnetische Wellen ausbreiten.
Aber warum muss es unbedingt ein Leiter sein, der die
elektromagnetischen Wellen überträgt, zumal dich bei
Hochfrequenz nicht mal unbedingt ein Strom fließt?
Sondern nur die Elektronen um ihre Ruhelage schwingen.

Auch bei Hochfrequenz fließt ein elektrischer Strom. Wie weit sich dabei ein einzelnes Elektron bewegt, ist unerheblich.

Oder ist in Isolatoren die Eigenschwingung so hochfrequent,
dass sie das wesentlich niederfrequente Signal auf irgendeine
Art und Weise zerstören würden?

Nein. Eine Elektronen-Eigenschwingung (thermisch?) hat nichts mit der elektrischen Leitfähigkeit zu tun und eigentlich auch nichts mit der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen.

So weit erstmal. Beste Grüße
Christoph

#15

Hallo Tim,

keine Ahnung, ist nicht meine Baustelle, aber vielleicht beschäftigst Du Dich mal mit Prof. Meyl:

http://www.k-meyl.de/go/index.php?dir=10_Home&page=1…

Liebe Grüße

Lothar