Unsichtbar - und doch unverzichtbar: Elektromagnetische Wellen

Die Schülerinnen und Schüler klemmen ein elastisches Kunststofflineal auf ihre Tischplatte und lassen es dabei einige Zentimeter über die Tischkante hinausragen. Den in der Luft hängenden Teil des Lineals versetzen sie in Schwingung, indem sie ihn nach unten drücken und dann loslassen. Das Lineal schwingt auf und ab, wodurch einige Luftzonen verdichtet, andere verdünnt werden: Es entstehen fortschreitende Schallwellen. Die Lernenden können das schwingende Ende nun im Wechsel verkürzen und verlängern und beobachten, wie sich die Tonhöhe dabei verändert. Erläutern Sie gemeinsam anhand der Beobachtungen den Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz: Je kürzer das schwingende Ende, desto höher die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde und damit auch die Tonhöhe (Frequenz). Andersherum gilt: Je länger das überstehende Ende ist, desto länger sind auch die erzeugten Wellen. Gleichzeitig ist der zu hörende Ton aber tiefer, die Frequenz also niedriger.

Um den Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz für sich zu veranschaulichen, zeichnen die Schülerinnen und Schüler auf einer Zeitachse von mindestens zwei Sekunden eine Schwingung mit sechs Hertz ein. 

Die verschiedenen Vielfachzugriffsverfahren

In einem Funknetz telefonieren viele Menschen gleichzeitig, ihre Telefonate müssen auseinandergehalten werden. Damit nicht alle Signale durcheinandergeraten, nutzt der Mobilfunk verschiedene Vielfachzugriffsverfahren: Der GSM-Standard nutzt das Zeitmultiplexverfahren (TDMA), bei dem Gespräche über Zeitschlitze zugeordnet werden, und das Frequenzmultiplexverfahren (FDMA), bei dem über Frequenzen zugeordnet wird. Die Standards UMTS und LTE nutzen das Codemultiplexverfahren (CDMA). Bei diesem Verfahren gelingt der Vielfachzugriff über Codes. Sehen Sie sich zur Erklärung die Grafik "Unterscheidung FDMA, TDMA und CDMA" mit Ihren Schülerinnen und Schülern an. Zur Veranschaulichung dienen zudem die folgenden beiden Anregungen.

Stimmengewirr und Signalsalat

Um den Schülerinnen und Schülern den Unterschied zwischen der Zuordnung nach Zeit und nach Code verständlich zu machen, simulieren Sie mit der Klasse ein Schulfest. Zunächst sprechen alle laut durcheinander bis zu einem vorher abgesprochenen Zeichen - die Schülerinnen und Schüler werden merken, dass sie sich kaum verständigen können. Eine Verständigung wie bei TDMA sähe im übertragenen Sinne so aus: Alle Schülerinnen und Schüler sprechen nur nacheinander, also in »Zeitschlitzen«. So können sie sich zwar gut verstehen, der Nachteil ist allerdings, dass sie ihr Gespräch ständig unterbrechen müssten. Bei CDMA dagegen können alle gleichzeitig reden. Dabei ist es so geregelt, dass jedes Gesprächspaar einen eigenen Code zur Verständigung nutzt - dies kann zur Verdeutlichung ein bestimmtes Geräusch oder eine bestimmte Sprache (Deutsch, Englisch et cetera) sein. Auf diese Weise hört jeder Jugendliche seinen Gesprächspartner aus dem Stimmengewirr heraus, obwohl sich alle gleichzeitig unterhalten.

Viele Wege führen von A nach B

Um zu veranschaulichen, wie Daten beim Zeit- und beim Frequenzmultiplexverfahren übertragen werden, stellen Sie in einigen Metern Abstand voneinander zwei Tische auf. Auf beiden Tischen werden acht Spalten (sinnbildlich für verschiedene Handys) markiert. Auf Tisch A werden in jede Spalte acht kleine Gegenstände (zum Beispiel Bausteine) gelegt. Für die Verdeutlichung von FDMA führen auf dem Boden acht Kreidelinien (sinnbildlich für die Frequenzen) jeweils von einer Spalte auf Tisch A zu der dazugehörigen Spalte auf Tisch B. Vor jede Spalte auf Tisch A stellt sich ein Jugendlicher und nimmt einen Gegenstand aus seiner Spalte. Sie laufen gleichzeitig auf ihrer jeweiligen Kreidelinie von Tisch A nach Tisch B und legen dort die Gegenstände in der jeweiligen Spalte ab. Um alle Gegenstände von Tisch A nach Tisch B zu transportieren, müssen die Schülerinnen und Schüler den Weg achtmal zurücklegen. Für die Veranschaulichung von TDMA gibt es anstelle der acht Kreidewege nur einen einzigen. Eine Schülerin oder ein Schüler legt acht Gegenstände einer Spalte von Tisch A auf ein Tablett und transportiert sie in die dazugehörige Spalte auf Tisch B. Der Vorgang wird achtmal wiederholt. Vergleichen Sie gemeinsam die beiden Verfahren: Die gleiche Datenmenge wurde übertragen. Beim Zeitmultiplexverfahren musste dafür aber weniger gelaufen bzw. gesendet werden, da mehr Daten auf einmal übertragen werden können.