In diesem Beitrag erfährst du, was elektromagnetische Wellen sind, welchen Nutzen sie haben und lernst wichtige Formeln kennen.
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Der Name Elektromagnetische Wellen besitzt zwei Komponenten, „Elektromagnetisch“ und „Wellen“. Mit „Wellen“ wird dir der Hinweis gegeben, dass irgendwas periodisch auf und ab schwingt. Der Zusatz „Elektromagnetisch“ teilt dir mit, dass dieses „irgendwas“ elektrische und magnetische Felder sind.
Das bedeutet also, dass elektromagnetische Wellen (auch elektromagnetische Strahlung genannt) das periodische Auf- und Abschwingen von elektrischen und magnetischen Feldern beschreiben. Dabei schwingen die Felder nicht willkürlich auf und ab, sondern sind miteinander gekoppelt, sodass das elektrische Feld senkrecht zum magnetischen Feld steht.
Der Grund, weshalb du etwas sehen kannst, sind elektromagnetische Wellen (in Form von Licht). Der Grund, weswegen du telefonieren kannst, sind elektromagnetische Wellen (in Form von Miktrowellen). Der Grund, dass du im Internet surfen kannst, sind elektromagnetische Wellen (ebenso in Form von Mikrowellen oder in Form von Radiowellen). Du erkennst also, dass elektromagnetische Wellen für unser Leben essenziell sind.
In diesem Abschnitt erklären wir dir zunächst, was du dir unter einer Welle allgemein vorstellen kannst und wodurch diese charakterisiert wird. Anschließend kombinieren wir dieses Wissen mit elektrischen und magnetischen Feldern, um elektromagnetische Wellen und ihre Eigenschaften zu erklären.
Wenn du an Wellen denkst, dann stellst du dir wahrscheinlich vor, dass etwas auf und ab schwingt. Bei einer Seilwelle ist das zum Beispiel das Seil, bei Wasserwellen das Wasser. Die Welle schwingt aber nicht willkürlich auf und ab, sondern mit einem ganz bestimmten Muster. Wenn du also ein Foto von einer Wasserwelle machst und dann eine gewisse Zeit wartest, um wieder ein Foto der Welle zu machen, dann sehen die beiden Bilder fast identisch aus. Der Unterschied liegt darin, dass sich das Muster im Zeitintervall zwischen erstes und zweites Foto fortbewegt hat. Statt „Muster“ findest du häufiger die Bezeichnung „Störung„.
Unter einer Welle kannst du dir eine Störung in einem Medium vorstellen, die sich mit einer festen Form und konstanter Geschwindigkeit fortbewegt.
Der interessierte Leser findet am Ende des Artikels eine mathematische Beschreibung dieser Definition.
Eine Welle ist also eine Art Störung, die sich mit einer festen Form ausbreitet. Bei elektromagnetischen Wellen besteht diese Störung aus elektrischen und magnetischen Feldern. Die Betonung liegt hier auf „und“. Du kannst keine elektromagnetische Welle haben, wo nur das elektrische Feld auf und ab schwingt, das magnetische Feld aber unverändert bleibt und umgekehrt. Daher rührt auch die Bezeichnung „elektromagnetisch“.
Unter einer elektromagnetischen Welle kannst du das periodische Zusammenspiel aus elektrischen und magnetischen Feldern verstehen.
Fällt dir auf, wie in dieser Definition der Begriff „Medium“ nicht vorkommt während er es in der Definition einer allgemeinen Welle tat? Das liegt an einer der markantesten Eigenschaft elektromagnetischer Wellen, die wir dir im nächsten Unterabschnitt erklären.
Es gibt eine Reihe an Eigenschaften, die elektromagnetische Wellen erfüllen. In diesem Unterabschnitt listen wir die wichtigsten Eigenschaften und ihre Bedeutung.
Wenn wir die Wellenlänge mit bezeichnen und die Frequenz mit
, dann gilt
.
Hier ist die Lichtgeschwindigkeit. Diese Beziehung gilt aber auch für Wellen, die sich nicht mit
sondern mit der Geschwindigkeit
ausbreiten. Die Wellenlänge gibt dir den räumlichen Abstand zwischen zwei Wellenbergen oder Wellentäler. Der Kehrwert der Frequenz gibt dir den zeitlichen Abstand zwischen zwei Wellenbergen oder Wellentäler. Daher besitzt die Wellenlänge die Einheit Meter
und die Frequenz die Einheit
.
Zwischen der Energie der Welle und seiner Frequenz
gilt die Beziehung
,
wobei das Plancksche Wirkungsquantum
ist.
Nehmen wir die erste Relation und formen sie auf die Frequenz um, so erhalten wir
.
Ersetzen wir nun in der zweiten Relation die Frequenz durch
, bekommen wir
.
Damit sind alle drei Größen miteinander verbunden. Wenn du also einer der drei Größen gegeben hast, kannst du die anderen beiden ausrechnen. Ist dir zum Beispiel die Wellenlänge bekannt, kannst du mit der Formel
die Frequenz berechnen und mit der Formel
die Energie.
Achte bei solchen Umformungen immer darauf, dass die Einheiten passen. Energie besitzt die Einheit Joule (), wir erwarten also, dass die Kombination
auch die Einheit Joule aufweist. Das
hat die Einheit
, die Wellenlänge
die Einheit
und das Planksche Wirkungsquantum die Einheit
. Der Ausdruck
besitzt damit die Einheit
,
wie gewünscht.
Die Stärke der Störung (bei der Wasserwelle oder Seilwelle entspricht das der Auslenkung der Teilchen) an einem bestimmten Punkt hängt sowohl vom Punkt selbst ab als auch von der Zeit. Wenn du dir zum Beispiel das erste Foto der Wasserwelle nimmst, dann ist die Zeit konstant, aber die Auslenkung der Wasserteilchen ändert sich, wenn du dich entlang des Fotos bewegst. Auf ähnliche Weise, ändert sich die Auslenkung, wenn du an einem bestimmten Punkt stehst und wartest. Als Funktion ist daher die Stärke der Störung eine Funktion des Ortes und der Zeit
.
Geben wir dem Muster der Welle die Bezeichnung . Für jeden Zeitpunkt
ist
eine Funktion des Ortes
. Zum Zeitpunkt
besitzt die Störung genau die Form des Musters
, das heißt es gilt
.
Nehmen wir an, dass sich die Welle mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit nach rechts ausbreitet. Nach einer Zeit
wird sich dann jeder Punkt entlang des Musters
um die Strecke
nach rechts bewegt haben. Mathematisch wird eine Verschiebung nach rechts entlang der
-Achse durch eine Subtraktion dargestellt. Die Störung zu einem Zeitpunkt
besitzt daher folgende Form
.
Die Subtraktion ist die mathematische Schreibweise dafür, dass alle Punkte entlang des Musters
um die Strecke
nach rechts verschoben wurden. Das folgende Bild soll diese Idee illustrieren.
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