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Elektromagnetische Wellen einfach erklärt
Elektromagnetische Wellen sind gekoppelte Schwingungen eines elektrischen und eines magnetischen Feldes. Sie transportieren Energie und können sich sogar im Vakuum ausbreiten. Licht, Radiowellen, Mikrowellen und Röntgenstrahlung gehören zu dieser Wellenart.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was schwingt bei einer elektromagnetischen Welle?
Bei einer Seilwelle schwingt das Seil, bei einer Schallwelle schwingen Teilchen eines Stoffes. Eine elektromagnetische Welle braucht dagegen keinen schwingenden Stoff. Es verändern sich das elektrische Feld $E$ und das magnetische Feld $B$.
Elektromagnetische Welle
Eine elektromagnetische Welle ist eine sich ausbreitende, räumlich und zeitlich veränderliche Kombination aus elektrischem und magnetischem Feld. Sie kann Energie übertragen, ohne ein materielles Medium zu benötigen.
Für eine freie ebene Welle im Vakuum gilt:
- Das elektrische Feld steht senkrecht zum magnetischen Feld.
- Beide Felder stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
- Im Fernfeld erreichen beide Felder gleichzeitig ihre Maxima und Nulldurchgänge.
Weil die Felder quer zur Ausbreitungsrichtung schwingen, handelt es sich um eine Transversalwelle.
Ausbreitungsrichtung, elektrisches Feld und magnetisches Feld stehen bei einer freien ebenen elektromagnetischen Welle paarweise senkrecht aufeinander.
Ein stationäres Feld ist noch keine Welle: Es breitet keine fortlaufende Schwingung aus. Auch Schall ist keine elektromagnetische Welle, denn Schall benötigt einen Stoff wie Luft, Wasser oder einen Festkörper.
Wie entstehen und reisen elektromagnetische Wellen?
Elektromagnetische Wellen können entstehen, wenn elektrische Ladungen beschleunigt werden. In einer Sendeantenne sorgt ein hochfrequenter Wechselstrom dafür, dass Ladungen hin- und herschwingen. Ein Teil der Energie wird als elektromagnetische Welle abgestrahlt.
Eine Radioantenne enthält bewegliche Ladungen. Der Wechselstrom beschleunigt sie immer wieder in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch entstehen zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder, die sich von der Antenne lösen und als Radiowelle ausbreiten.
Im Vakuum bewegen sich alle elektromagnetischen Wellen mit der Lichtgeschwindigkeit
$$c ≈ 3{,}00 · 10^8\,\mathrm{m/s}.$$
Das gilt für Radiowellen ebenso wie für sichtbares Licht oder Gammastrahlung. In Materie ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit gewöhnlich geringer und kann vom Material sowie von der Frequenz abhängen.
Elektromagnetische Wellen transportieren Energie. Die Intensität beschreibt die übertragene Leistung pro Fläche und wird beispielsweise in Watt pro Quadratmeter angegeben. Bei einer freien Welle wächst sie mit dem Quadrat der Feldstärke: Eine doppelte Feldstärke bedeutet daher nicht die doppelte, sondern die vierfache Intensität.
Wie hängen Wellenlänge und Frequenz zusammen?
Die Wellenlänge $λ$ ist der räumliche Abstand zweier benachbarter Punkte gleicher Schwingungsphase, zum Beispiel zweier Wellenberge. Ihre Einheit ist der Meter.
Die Frequenz $f$ gibt an, wie viele vollständige Schwingungen pro Sekunde stattfinden. Ihre Einheit ist Hertz: $1\,\mathrm{Hz} = 1/\mathrm{s}$.
Die Periodendauer $T$ ist die Zeit für eine vollständige Schwingung. Es gilt:
$$T = 1/f$$
Für jede Welle gilt grundsätzlich:
$$v = λ · f$$
Im Vakuum ist $v = c$. Daher lautet die zentrale Beziehung für elektromagnetische Wellen:
$$c = λ · f$$
Bei gleichbleibender Ausbreitungsgeschwindigkeit gilt: Je größer die Frequenz ist, desto kleiner ist die Wellenlänge.
Eine Radiowelle hat im Vakuum die Frequenz $f = 100\,\mathrm{MHz} = 100 · 10^6\,\mathrm{Hz}$. Gesucht ist ihre Wellenlänge.
- Zusammenhang wählen: $c = λ · f$.
- Nach $λ$ umstellen: $λ = c/f$.
- Werte mit passenden Einheiten einsetzen:
$$λ = \frac{3{,}00 · 10^8\,\mathrm{m/s}}{100 · 10^6\,1/\mathrm{s}} = 3{,}00\,\mathrm{m}$$
Die Sekunden kürzen sich. Die Radiowelle besitzt näherungsweise eine Wellenlänge von $3{,}00\,\mathrm{m}$. Das Ergebnis ist plausibel: Eine Frequenz von $100\,\mathrm{MHz}$ liegt weit unter den Frequenzen sichtbaren Lichts und gehört deshalb zu einer viel größeren Wellenlänge.
Vor dem Rechnen musst du Frequenzen in Hertz und Längen in Meter umwandeln. Prüfe anschließend Einheit und Größenordnung des Ergebnisses.
Was zeigt die Polarisation?
Die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes legt die Polarisationsrichtung fest. Eine lineare Polarisation bedeutet, dass das elektrische Feld nur entlang einer festen Richtung schwingt.
Polarisation
Polarisation beschreibt die festgelegte Schwingungsrichtung einer Transversalwelle. Bei elektromagnetischen Wellen bezieht sie sich auf die Richtung des elektrischen Feldes.
Ein Polarisationsfilter lässt nur den Feldanteil in einer bestimmten Richtung passieren. Treffen zwei idealisierte lineare Polarisationsfilter mit zueinander senkrechten Durchlassrichtungen aufeinander, wird hinter dem zweiten Filter kein entsprechender Feldanteil mehr übertragen.
Der erste Filter lässt nur ein vertikal schwingendes elektrisches Feld durch. Der zweite Filter besitzt eine horizontale Durchlassrichtung. Das vertikale Feld hat keinen horizontalen Anteil. Hinter dem zweiten Filter wird das idealisierte linear polarisierte Licht deshalb ausgelöscht.
Diese Polarisierbarkeit ist ein Kennzeichen für den transversalen Charakter elektromagnetischer Wellen. Eine reine Longitudinalwelle, deren Schwingung nur entlang der Ausbreitungsrichtung erfolgt, besitzt diese frei wählbare Querrichtung nicht.
Vertiefung: Energie, Spektrum und Modellgrenzen
Alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums beruhen auf derselben Wellenart. Sie unterscheiden sich vor allem durch Frequenz und Wellenlänge. Im sichtbaren Bereich nimmt das Auge bestimmte Frequenzen als Farben wahr; Infrarot- oder Radiowellen sind für das Auge nicht sichtbar und benötigen geeignete Sensoren.
Im Teilchenmodell besteht elektromagnetische Strahlung aus Photonen. Die Energie eines Photons ist
$$E_γ = h · f,$$
wobei $h$ das Plancksche Wirkungsquantum ist. Eine höhere Frequenz bedeutet deshalb eine höhere Energie pro Photon. Zusammen mit $c = λ · f$ folgt: Eine kürzere Vakuumwellenlänge gehört zu einer höheren Photonenenergie.
Photonenenergie und Intensität sind nicht dasselbe. Die Frequenz bestimmt die Energie eines einzelnen Photons. Die Intensität hängt dagegen von der insgesamt übertragenen Energie pro Zeit und Fläche ab. Viele energiearme Photonen können gemeinsam eine hohe Intensität erzeugen.
Beim Eintritt in ein anderes Medium bleibt die Frequenz erhalten. Weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit dort gewöhnlich sinkt, wird nach $v = λ · f$ auch die Wellenlänge kleiner.
Das einfache Bild dreier paarweise senkrechter Richtungen gilt sicher für freie ebene Wellen im Vakuum. Im Nahfeld einer Antenne, in Medien oder in Wellenleitern können kompliziertere Feldformen mit Längsanteilen auftreten.
Durch Überlagerung einer einlaufenden und einer reflektierten Welle kann außerdem eine stehende Welle entstehen. Benachbarte Knoten, an denen die Schwingungsamplitude null ist, haben den Abstand $λ/2$.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Im Vakuum gilt . Steigt die Frequenz bei gleichbleibender Geschwindigkeit, wird die Wellenlänge . Die Energie eines einzelnen Photons wird mit beschrieben. Beim Übergang in ein Medium bleibt die erhalten, während sich Geschwindigkeit und Wellenlänge ändern können.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektromagnetische Wellen
- Aufbau: gekoppeltes elektrisches und magnetisches Feld
- Geometrie: Felder und Ausbreitungsrichtung stehen senkrecht aufeinander
- Entstehung: beschleunigte elektrische Ladungen
- Vakuum: Ausbreitung ohne materielles Medium mit Lichtgeschwindigkeit
- Wellengrößen: Wellenlänge, Frequenz und Periodendauer
- Zusammenhang: $c = λ · f$
- Transversalmerkmal: Polarisation
- Energie: Intensität und Photonenenergie unterscheiden
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du bei einer neuen Situation zuerst entscheidest, welches Modell gebraucht wird, dann die passenden Größen mit Einheiten notierst und erst anschließend rechnest oder die Feldrichtungen deutest.