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Frequenz, wie sie in der Physik verwendet wird, bezieht sich auf die Anzahl der Wellen, die an einem festen Punkt in einem bestimmten Zeitraum passieren können. Wenn beispielsweise eine Welle ½ Sekunde braucht, um einen bestimmten Punkt zu passieren, beträgt die Frequenz dieser Welle 2 pro Sekunde. Es kann entweder in Form von Radiofrequenzen vorliegen, die in Form von Radiowellen funktionieren, oder sogar in Form von Lichtfrequenzunterschieden. Frequenz ist für Musik-, Klang-und Farbvariationen verantwortlich.
Schlüsselbegriffe in Bezug auf Frequenz in der Physik
Wenn Sie mit Frequenz arbeiten, werden Sie auf mehrere Begriffe und Konzepte stoßen. Hier ist eine Aufschlüsselung dieser Begriffe:
Oszillation: Tritt auf, wenn sich eine Welle regelmäßig und wiederholt hin und her bewegt. Die sich wiederholenden Variationen liegen entlang des Gleichgewichtspunkts. Schwingung ist eine harmonische und periodische Bewegung. Die Frequenz kann auch als Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit beschrieben werden. Zyklus: Ein Zyklus tritt auf, wenn ein oszillierendes Partikel die Richtung zu seinem ursprünglichen Punkt ändert, wenn es sich von einem bestimmten Punkt in einer bestimmten Reihenfolge bewegt. Dies geschieht in der Regel von einer stabilen Gleichgewichtslage bis zur maximalen Auslenkung und zurück zum stabilen Gleichgewicht. Wellenlänge: Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gipfeln. Frequenz und Wellenlänge sind umgekehrt proportional. Je höher die Frequenz eines Signals ist, desto kürzer ist die Wellenlänge. Periode: Die Periode ist die Zeit, die eine Welle benötigt, um eine vollständige Schwingung auszuführen. Bei Longitudinalwellen ist die Periode das Intervall zwischen zwei Wellen, und bei einer Transversalwelle ist es die Zeit, die die Welle benötigt, um einen vollständigen Zyklus vom Tal über den Kamm und dann zurück zum Tal zu absolvieren. Resonanz: Das Universum ist ständig in Bewegung, auch wenn die meisten Menschen das nicht so sehen. Bei festen Objekten tritt diese Bewegung in Form von Vibrationen auf. Die Resonanzfrequenz ist die Eigenfrequenz, bei der das Objekt mit maximaler Amplitude schwingt. Es wird bei Objekten im Gleichgewicht mit einwirkenden Kräften beobachtet und kann unter perfekten Bedingungen länger schwingen. Wellenbewegung: Diese harmonische Bewegung trägt Energie von einem Ort zum anderen, ohne Materie zu bewegen. Die Wellenfrequenz ändert sich nicht, wenn eine Welle von einem Medium zum anderen wandert. Interferenz: Interferenz tritt auf, wenn unerwünschte Funkwellen auf derselben Frequenz kollidieren und das Signal Ihres Geräts stören. Dies kann den Empfang oder die Ton-und Bildqualität des Geräts beeinträchtigen. Beugung: Beugung ist das Biegen von Wellen durch Hindernisse und feste Objekte. Sie können jede Form von Energie durch Wellen ausbreiten. Lichtwellenbeugung hat praktischere Anwendungen in der modernen Technologie, wie Hologramme. Höhere Frequenzen haben eine kürzere Wellenlänge, wodurch sie anfälliger für Kantenbeugung sind. Doppler-Effekt: Der Doppler-Effekt tritt auf, wenn sich die Wellenfrequenz der Quelle ändert, wenn sich die Welle in Bezug auf einen stationären Beobachter und an diesem vorbei bewegt. Der sich bewegende Schall sendet Schallwellen mit konstanten Frequenzen aus. Transversalwelle: Eine Transversalwelle ist eine Welle, deren Schwingungsbewegung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle verläuft. Sie haben normalerweise eine hohe Frequenz mit vielen Gipfeln, die an der Spitze vorbeiziehen.
Die Häufigkeitsformel
Langsamere Wellen, wie Meeresoberflächenwellen, werden normalerweise eher durch die Wellenperiode als durch die Frequenz beschrieben.
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In der Physik gibt es verschiedene Frequenzformeln, die sein können verwendet, um die Frequenz einer Welle oder Schwingung zu berechnen, abhängig von den bekannten Variablen.
Formel 1: Die Formel für die Frequenz in Bezug auf die Zeit lautet:
Frequenz (f)=Anzahl der Zyklen (N) ÷ Zeit (T)
Die Frequenz wird in Einheiten von Hertz (Hz) gemessen, die die Anzahl der Zyklen pro Sekunde darstellen. Wenn beispielsweise ein vibrierendes Objekt 10 Zyklen in 2 Sekunden abschließt, wäre die Frequenz:
Frequenz (f)=10 Zyklen ÷ 2 Sekunden=5 Hz
Formel 2: Die Formel für die Frequenz in Bezug auf Wellengeschwindigkeit und Wellenlänge lautet:
Frequenz (f)=Wellengeschwindigkeit (𝜈) ÷ Wellenlänge (λ)
Formel 3: Die Formel für die Frequenz in Bezug auf die Winkelfrequenz lautet:
f=Winkelfrequenz (ω)/2π
Wie funktioniert die Frequenz? ?
Um die Frequenz gut zu verstehen, lassen Sie uns untersuchen, wie sie funktioniert. So funktioniert Frequenz in verschiedenen Zusammenhängen.
Harmonische Bewegung & Energie
Harmonische Bewegung tritt auf, wenn es eine periodische Schwingung gibt, wie die einer Geigensaite, bei der die Bewegungen symmetrisch dazu sind der Gleichgewichtspunkt. Diese Art von Vibration kann entweder eine Frequenz und Amplitude haben oder eine Kombination verschiedener Komponenten sein, die als Harmonische bezeichnet werden.
Harmonische Bewegung wird auch periodische Bewegung genannt. Schwingungen und Wellenbewegungen können als perfekte Beispiele für harmonische Bewegung verwendet werden.
Periode und Häufigkeit
Eine Periode steht in direktem Zusammenhang mit der Häufigkeit. Bei einer Transversalwelle ist die Periode die Zeit, die für eine vollständige Schwingung benötigt wird. Bei einer Longitudinalwelle ist die Periode das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen. Dieser Wert wird in Sekunden ausgedrückt.
Frequenz ist die Anzahl der Zyklen pro Sekunde in einer Schwingung und die Anzahl der Wellen, die in einer Wellenbewegung pro Sekunde einen bestimmten Punkt passieren. Sie werden Hertz genannt und mit „Hz“ bezeichnet. Höhere Frequenzen werden in KiloHertz (KHz) ausgedrückt, was 1000 Zyklen pro Sekunde entspricht.
Wellenbewegung
Wellenbewegung ist harmonisch und kann verwendet werden, um Energie zu transportieren. Die Energie wird von einem Ort zum anderen übertragen, ohne Materie zu bewegen.
Es ist die Anzahl der Schwingungen, die pro Sekunde von beliebigen Mediumpartikeln ausgeführt werden, da die Frequenz einer Welle von der Quelle abhängt, die die Wellenbewegung erzeugt. Dadurch kann sich die Welle von einem Medium zum anderen ausbreiten, ohne die Frequenz zu ändern.
Amplitude
Die maximale Verschiebung eines Teilchens des Mediums aus seiner Gleichgewichtsposition repräsentiert die Amplitude einer Welle. Die Wellenamplitude ist umgekehrt proportional zur Frequenz.
Die Amplitude nimmt mit steigender Frequenz ab und umgekehrt. Eine kurze Wellenlänge erzeugt eine hohe Frequenz mit einer höheren Tonhöhe, weil sie schnellere Zyklen hat.
Kinetische und potentielle Energie
Harmonische und periodische Bewegung beinhalten typischerweise Energie, die kontinuierlich von einer Form umgewandelt werden kann zum anderen. Potenzielle und kinetische Energie sind die beiden beteiligten Energien, wobei kinetische Energie auf Bewegung und potenzielle Energie auf ihre Position und ihr Bewegungspotential zurückzuführen ist.
Potentialkinetische Umwandlungen finden statt, wenn ein Objekt einen angemessenen Abstand von seinem stabilen Gleichgewichtspunkt hat und es eine Kraft gibt, die es bewegen kann; das heißt, potentielle Energie. Wenn sich das Objekt in Richtung Gleichgewicht bewegt, wird diese potentielle Energie nun in kinetische Energie umgewandelt.
Vibration
Mechanische Vibrationen oder Schallwellen können durch Wandler in ein sich wiederholendes elektronisches Signal umgewandelt werden.
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Vibrieren bedeutet einfach, sich an Ort und Stelle hin und her zu bewegen. Vibration bezieht sich auf Oszillation, weil einige Vibrationen erzeugt werden, wenn ein Objekt schwingt.
Für ein Molekül schwingt jede Materie, und diese Schwingungen werden natürliche Frequenzen genannt. Die Eigenfrequenz hängt von der Form, Zusammensetzung und Größe der Materie ab. Ein gutes Beispiel ist, wie Schallwellen Glas zerbrechen können, solange sie ihre natürliche Frequenz erreichen.
Oszillation
Oszillation ist eine Art harmonischer Bewegung, die periodisch in einer oder mehreren Dimensionen stattfindet. Es gibt zwei Arten von Schwingungen, Feder-und Pendelschwingungen. Bei beiden ist das Objekt einer Störung ausgesetzt, die es veranlasst, aus dem stabilen Gleichgewicht hin und her zu schwingen. Eine Feder schwingt auf einer geraden Bahn, während ein Pendel auf einem Bogen schwingt.
Die Schwingung beinhaltet einen vorbestimmten Zyklus, dem die Feder oder das Pendel immer folgt. Es geht hauptsächlich darum, dass sich das oszillierende Teilchen von einem Punkt zum anderen und zurück zum ursprünglichen Punkt in einer Richtung bewegt, die sich immer wieder umkehrt.
Im Kontext zeigt der Zyklus die Bewegung vom stabilen Gleichgewichtspunkt zu einem anderen Punkt der maximalen Auslenkung. Der stabile Gleichgewichtspunkt befindet sich in der Mitte des Zyklus, und zwei Punkte maximaler Auslenkung befinden sich am höchsten und am niedrigsten Punkt für die Feder oder an den höchsten Punkten auf jeder Pendelseite.
Wie wird die Frequenz gemessen?
Wir messen die Frequenz auf verschiedene Weise. Die Methoden haben unterschiedliche Genauigkeiten, und während einige einfach sind, erfordern andere spezielle Geräte. Werfen wir einen Blick auf einige von ihnen.
Durch Zählen
Häufigkeit zu zählen ist eine der einfachsten Methoden, solange Sie die richtigen Schritte befolgen. Es gibt drei Möglichkeiten, wie Sie die Häufigkeit zählen können. Der erste beinhaltet das Zählen der Nulldurchgänge einer Periode und ist für eine Sekunde unkompliziert. Wenn Sie dies dennoch tun müssen, müssen Sie einige mathematische Anpassungen vornehmen.
Zum Beispiel müssen Sie bei einer Halbsekunde Ihre Zählung mit zwei multiplizieren, während Sie bei einer 10-Sekunden-Periode die Zählung durch 10 teilen müssen. Diese Methode ist einfach, aber wenn die Frequenz abnimmt , Sie zählen länger und die Zeitbasis muss genau sein, um korrekte Messwerte zu erhalten.
Bei der zweiten Methode messen wir genau die Dauer eines kompletten Zyklus. Damit diese Methode jedoch effektiv ist, müssen Sie den Zeitraum genau messen.
Bei der dritten Methode verwenden wir beim Zählen einen bekannten Referenztakt mit der zu messenden Frequenz. Diese Methode kann ohne genaue Zeitbasis durchgeführt werden und garantiert Ihnen daher die besten Ergebnisse. Außerdem kann der Referenztakt sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Frequenzen effektiv eine gute Auflösung bieten.
Ein Stroboskop verwenden
Die Rate des Stroboskops ist auf verschiedene Frequenzen einstellbar.
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Ein Stroboskop wird auch als Blitzlicht oder Blitztachometer bezeichnet. Ein Strobe-Tachometer kann die Drehzahl und Frequenz von vibrierenden und sich bewegenden Teilen, Komponenten und Geräten messen.
Sie können die Blinkfrequenz seines Lichtimpulses abhängig von den gemessenen Parametern anpassen, um die Messwerte genauer zu machen. Da Stroboskope Lichtimpulse mit unterschiedlichen Frequenzen aussenden, können sie Frequenzmessungen liefern.
Um die Frequenz mit einem Stroboskop zu messen, müssen Sie die Frequenz anpassen, bis das Rad stoppt, was anzeigt, dass bei jeder vollständigen Radumdrehung nur ein Lichtimpuls emittiert wird.
Alles, was Sie jetzt tun müssen, ist die Frequenzanzeige auf dem Stroboskop abzulesen, die der von Ihnen gemessenen Frequenz entspricht. Diese Methode ist praktisch in Werken, in denen Sie abgenutzte Ausrüstung wie Riemen, Federn und Ventile mit einem Stroboskoplicht finden können.
Durch Frequenzzähler
Ein Frequenzzähler misst die Anzahl von Schwingungszyklen eines beliebigen elektromagnetischen Signals. Diese Impulse pro Sekunde können Sie nach der Messung direkt auslesen. Also, wie genau misst eine Frequenz die Frequenz?
Die meisten verwenden einen Zähler, der Ereignisse innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls zählt. Anschließend übertragen Sie diesen Wert auf die Anzeige und der Zählerstand geht auf Null zurück.
Angenommen, das fragliche Ereignis wiederholt sich selbst stabil, jedoch mit einer niedrigeren Frequenz als der verwendete Taktoszillator. In diesem Fall muss die Auflösung der Endmessung anders verbessert werden. Anstatt die Anzahl der Zyklen zu zählen, die in einem vorgegebenen Zeitrahmen auftreten, verwenden Sie die Zeit, die für einen ganzen Satz von Zyklen benötigt wird.
Für beste Ergebnisse muss die Zeitbasis sorgfältig kalibriert werden, da es der interne Oszillator ist, der die Zeitsignale erzeugt. Alles, was Sie für elektronische Signale tun müssen, ist die Schnittstelle zum Instrument zu lesen, wo Sie Ihren Messwert erhalten.
Hinsichtlich der Genauigkeit hängt der Messwert eines Frequenzzählers stark von der Stabilität seiner Zeitbasis ab.
Überlagerungsverfahren
Das Überlagerungsverfahren ist eines der genauesten Verfahren zur Frequenzmessung. Bei dieser Methode verwenden wir den Zähler, um die Rechteckwelle des Schwebungssignals zu berechnen. Als Zähler dienen ein Analog-Digital-Wandler (ADC) und ein Computer.
Das Sinuswellen-Schlagsignal wird dann rekonfiguriert und unter Verwendung des ADC in ein digitales Signal umgewandelt. Anschließend analysiert der Computer dieses digitale Signal und der digitale Signalprozessor berechnet die Frequenz.
Dieses Frequenzmessverfahren funktioniert am besten mit Mehrkanalsignalen und zeigt Ergebnisse in Echtzeit an. In Bezug auf die Genauigkeit sind heterodyne Methoden genauer als herkömmliche Methoden.
Reale Anwendungen der Frequenz
Einige Geräte und Anwendungen arbeiten mit dem Frequenzkonzept. Lassen Sie uns einen Blick auf einige dieser Frequenzanwendungen aus dem wirklichen Leben werfen.
Standuhren
Die von Christiaan Huygens (1629-1695) erfundene Standuhr verwendet auf dramatische Weise das Pendelkonzept. Die Frequenz eines Pendels entspricht der Anzahl der Schwingungen pro Minute. Sie erhalten die Frequenz, wenn Sie die Quadratwurzel der Erdbeschleunigung durch die Länge des Pendels dividieren.
Diese Beziehung ermöglicht es Ihnen, die Länge der Pendel in der Uhr anzupassen und so effektiv ihre Frequenz zu ändern. Wenn das Pendel kurz ist, läuft die Uhr schneller; ein langes Pendel ergibt eine langsam laufende Uhr. So funktioniert eine Standuhr, bei der ein Pendel den Sekunden-, Minuten-und Stundenzeiger steuert.
Metronome
Ein Metronom ist ein Instrument zur Berechnung des Tempos und der Geschwindigkeit von Musik. Dieses Instrument stammt aus dem 19. Jahrhundert und verwendet ein Pendel.
Das Pendel ist oben an einem verschiebbaren Gewicht und unten an einem festen Gewicht befestigt. Es gibt auch eine nummerierte Skala, die die Häufigkeit anzeigt. Um den Takt zu ändern, bewegen Sie das obere Gewicht, was sofort die Geschwindigkeit und das Tempo der Musik ändert.
Harmonische Schwingungen
Wenn ein Objekt in Resonanzschwingungen mit der Eigenfrequenz versetzt wird, die Vibrationen kommen in einer Weise, dass ein stehendes Wellenmuster im Objekt entsteht. Einige Beispiele für diese Objekte sind eine Gitarrensaite, eine Chladni-Platte oder eine Posaunenluftsäule. Jede der von einem Objekt erzeugten natürlichen Frequenzen hat ihr Schwingungsmodusmuster.
Harmonische Frequenzen sind die spezifischen Frequenzen, bei denen diese Muster in den verschiedenen Objekten erzeugt werden. Bei anderen Frequenzen ist die von einem Medium erzeugte Störung normalerweise unregelmäßig.
Musikinstrumente verlassen sich maßgeblich auf dieses Konzept, da sie regelmäßig und periodisch schwingen, wobei ihre harmonischen Frequenzen durch ganzzahlige Verhältnisse zueinander in Beziehung stehen. Diese Beziehung zwischen harmonischen Frequenzen führt zu der angenehmen Musik, die diese Instrumente produzieren.
Was ist Frequenz in der Physik? FAQs (Frequently Asked Questions)
Wird die Frequenz vom Ausbreitungsmedium beeinflusst?
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit bleibt konstant, wenn sich eine Welle von einem Medium zum anderen bewegt. Nur die Wellenlänge ändert sich, aber die Frequenz bleibt konstant.
Wie lautet die Formel zur Berechnung der Frequenz?
Die Frequenzformel in Bezug auf die Zeit ist gegeben als: f=1/T wobei f die Frequenz in Hertz und T die Zeit in Sekunden ist, um einen Zyklus abzuschließen. Die Frequenzformel in Bezug auf Wellenlänge und Wellengeschwindigkeit lautet f=𝜈/λ, wobei 𝜈 die Wellengeschwindigkeit und λ die Wellenlänge der Welle ist.
Welches Medium erzeugt die höchste Frequenz?
Gammastrahlen sind dafür bekannt, die höchste Frequenz im elektromagnetischen Spektrum zu erzeugen. Die Frequenz reicht von 1020 – 1022 Hz.
Was erzeugt die niedrigste Frequenz?
Radiowellen erzeugen die niedrigste Frequenz. Sie haben auch die längste Wellenlänge.
Wann wurde die Frequenz erfunden?
Die SI-Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz), benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz von der International Electrotechnical Commission im Jahr 1930. Es wurde von der CGPM (Conférence générale des poids et mesures) im Jahr 1960 übernommen und ersetzte offiziell den früheren Namen Zyklus pro Sekunde (cps).
Wie wirkt sich Frequenz auf den menschlichen Körper aus?
Frequenz kann den menschlichen Körper auf verschiedene Weise beeinflussen, sowohl positiv als auch negativ. Einer der bekanntesten Auswirkungen von Frequenzen auf den menschlichen Körper ist Schall, eine Art mechanischer Welle, die sich durch die Luft ausbreitet und vom Ohr wahrgenommen wird. Unterschiedliche Schallfrequenzen können unterschiedliche Empfindungen hervorrufen, die von angenehm bis unangenehm reichen.
Neben Schall können auch elektromagnetische Strahlungen wie Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen, und Gammastrahlen, haben ebenfalls Frequenzen, die den menschlichen Körper beeinflussen können.
Die Exposition gegenüber hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, wie Röntgen-und Gammastrahlen, kann für den menschlichen Körper schädlich sein, während die Exposition gegenüber niedriger-frequente elektromagnetische Strahlung, wie Radiowellen und Mikrowellen, gilt allgemein als sicher.