Resonanz (Physik)

Resonanz (Physik)

Von Resonanz spricht man in Physik und Technik, wenn ein System auf eine veränderliche Einflussgröße, etwa eine Erregerfrequenz oder eine sonstige Energiezufuhr, bei bestimmten Werten dieser Größe in besonderer Weise reagiert.

Inhaltsverzeichnis

Schwingungen, Wellen

Resonanz liegt vor, wenn ein schwingungsfähiges System so angeregt wird, dass bei gegebener Erregeramplitude die Ausgangsamplitude ein Maximum annimmt; sie kann dabei auf ein Vielfaches der Erregeramplitude ansteigen.

Vergrößerungsfunktion in Abhängigkeit vom Frequenzverhältnis und der Lehrschen Dämpfung

Die Resonanzkurve (Vergrößerungsfunktion) eines solchen Systems gibt das normierte Verhältnis der Schwingungsamplituden in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz an. Sie ist proportional zum Amplitudenfrequenzgang. Je geringer die Dämpfung ist, desto schmaler und höher wird das Maximum der Kurve, der Resonanzpeak. In extremen Fällen kann die „Aufschaukelung“ zur Zerstörung des Systems führen (Resonanzkatastrophe).

Bei verschwindender Dämpfung folgt die Resonanzkurve der Gleichung:

V=\frac 1 {\left| (1-(\omega / \omega_0)^2)\right|}

Abseits der Resonanzfrequenz hängt der genaue Verlauf der Resonanzkurve von der Art der Kopplung zwischen Erreger und Resonator ab. Die abgebildete Resonanzkurve gilt für die so genannte Kraft- oder Beschleunigungskopplung. Es gibt andere Kopplungsarten wie Strom- oder Geschwindigkeitskopplung.

Vorkommen von Schwingungsresonanz

Beispiele für Schwingungsresonanz

Atom-,Kern- und Teilchenphysik

Beispiele in der Atomphysik

  • Resonanzfluoreszenz eines Atoms oder Moleküls bei Anregung im Lichtfeld.
  • Resonanzabsorption im Lichtspektrum der Sonne (Fraunhoferlinien)
  • Die stimulierte Emission von Photonen (Grundlage des Lasers) ist zwar Resonanz-ähnlich, wird aber auf die besonderen Eigenschaften der Bosonen zurückgeführt.
  • Elektronenspinresonanz
  • Kernspinresonanz: Bringt man einen Atomkern mit einem von Null verschiedenen Gesamtspin in ein Magnetfeld, richtet sich das aus dem Spin resultierende magnetische Moment entweder parallel oder antiparallel zum äußeren Feld aus. Dabei ist die parallele Ausrichtung energetisch bevorzugt. Der antiparallelen Ausrichtung entspricht ein geringfügig höherer Energiebetrag, der durch Einstrahlung von Radiowellen mit einer bestimmten Resonanzfrequenz aufgebracht werden kann. Das Umklappen des Kernspins aus der parallelen in die antiparallele Ausrichtung nach der Energieeinstrahlung bezeichnet man als Kernspinresonanz.

Beispiele in der Kernphysik

Teilchenphysik

Ähnlich wie bei der Compoundkernbildung kann aus zwei Stoßpartnern ein gebundenes, wenn auch nicht stabiles Gesamtsystem entstehen, wenn die Stoßenergie gerade ausreicht, ein mögliches Energieniveau des Gesamtsystems zu erreichen. Die Anregungsfunktion des Stoßprozesses, also sein Wirkungsquerschnitt aufgetragen als Funktion der Energie, zeigt dann bei dieser Energie ein lokales Maximum, das als Resonanz bezeichnet wird. Die Kurvenform entspricht dort i. A. einer Breit-Wigner-Kurve, und ihre Halbwertsbreite (siehe Zerfallsbreite) kann zur Bestimmung der – meist sehr kurzen – Lebensdauer des entstandenen Teilchens dienen. Auch solche Teilchen selbst werden manchmal als Resonanzen bezeichnet.

Siehe auch

Weblinks


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