Resonanz (Physik)
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Als Resonanz werden in der Physik Vorgänge bezeichnet, bei denen ein schwingungsfähiges System mit seiner Eigenfrequenz durch Energiezufuhr angeregt wird. In diesem Fall beträgt die Phasenverschiebung zwischen Erreger und erzwungener Schwingung 90 Grad, der Energieübertrag auf das schwingungsfähige System ist in diesem Fall maximal. Hierdurch kann die Amplitude des angeregten Systems auf ein Vielfaches der Erregeramplitude ansteigen.
Die Resonanzkurve eines solchen Systems gibt seine Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz an. 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).
Der genaue Verlauf der Resonanzkurve hängt von der Kopplung zwischen Erreger und Resonator ab. Die abgebildete Resonanzkurve gilt für die so genannte Kraftkopplung und die Aufhängungskopplung. Es gibt andere Kopplungsarten wie Strom-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungskopplung. In der Nähe der Resonanzfrequenz lässt sich die Amplitude durch die Lorentzkurve ausdrücken. Sie stellt die Fourier-Transformierte einer exponentiell gedämpften Schwingung dar.
Das Phänomen der Resonanz ist in der Physik weit verbreitet. Beispiele sind:
- In der Mechanik:
- Schaukel
- „Aufschaukeln“ der gleichmäßigen Fußtritte einer Marschkolonne
- Starke Vibrationen von Fahrzeugkarosserien bei bestimmten Motordrehzahlen (Dröhnen)
- Resonanzauspuff bei 2-Takt-Motoren zur Leistungssteigerung
- In der Hydromechanik:
- In der Akustik:
- Die Tonerzeugung bei Musikinstrumenten (Streich- und Blasinstrumenten); auch das Mitschwingen einer nicht gespielten Saite, wenn ein gleichgestimmtes Instrument ertönt.
- In der Elektrotechnik beim Schwingkreis.
- In der Atomphysik:
- Resonanzfluoreszenz eines Atoms oder Moleküls bei Anregung im Lichtfeld.
- Scharfe Absorptionsmaxima im Lichtspektrum der Sonne.
- In der Kernphysik:
- Kernspinresonanz des Kernspins. 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. Dasselbe Verhalten - Umklappen des Spins - zeigen Elektronen, was man in der Elektronenspinresonanz nutzt.
- Kernresonanz in einer Kernreaktion. Von einer Kernresonanz spricht man dann, wenn bei einem Zusammenstoß zweier Atomkerne kein neuer Atomkern enststeht, sondern bloß ein extrem kurzlebiger (<<10-16s) Zwischenzustand.
