Elektromagnetische Wellen

Alle Ladungsträger, die beschleunigt oder abgebremst werden, senden elektromagnetische Felder aus, die sich im Raum ausbreiten. Dabei ändern sich die Stärken des elektrischen und magnetischen Feldes sowohl räumlich als auch zeitlich periodisch und besitzen daher die Eigenschaften von Wellen. Man bezeichnet sie als elektromagnetische Wellen (Bild 1).

Entstehung elektromagnetischer Wellen

Ein Dipol (z. B. langer gerader Draht), in dem die Richtung des Stromflusses periodisch geändert wird, kann Ausgangspunkt für elektromagnetische Wellen sein. Bei der Änderung der Stromrichtung werden die Ladungsträger im Leitungsdraht beschleunigt. Modellhaft lässt sich die Entstehung der elektromagnetischen Welle auf folgende Weise verstehen:
Im Dipol fließt ein periodisch wechselnder Strom. Wenn die Stromstärke am größten ist, dann baut sich um den Dipol ein kreisförmiges Magnetfeld auf, dessen Orientierung von der Stromrichtung vorgegeben wird. Während einer vollständigen Schwingung kommt der Stromfluss zwei Mal vollständig zum Erliegen. Dann sind die Ladungsträger an den Enden des Dipols konzentriert. Von dem positiven Dipolende gehen elektrische Feldlinien aus, die zum negativ geladenen Dipolende verlaufen.

Nach Umpolung entladen sich die Dipolenden und das elektrische Feld wird schwächer, während sich gleichzeitig wieder ein Magnetfeld um den Leitungsdraht aufbaut. Bei diesem Prozess wechseln sich also ständig der Auf- und Abbau elektrischer und magnetischer Felder miteinander ab. Es entsteht ein periodisches elektromagnetisches Wechselfeld. Dieses Feld ist in der Lage, sich von der Oberfläche des Dipols zu lösen. Nach seiner Freisetzung breitet es sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum hindurch aus. Eine elektromagnetische Welle ist entstanden (Bilder 1 und 2).

Neben den Vorgängen am Dipol gibt es in Natur und Technik sehr viele Prozesse, bei denen Ladungsträger beschleunigt oder abgebremst werden. Dies geschieht beispielsweise, wenn sehr schnelle Elektronen in einer Vakuumelektronenröhre auf die Anode prallen und dadurch schlagartig gestoppt werden. Hierbei entsteht sehr kurzwellige elektromagnetische Strahlung, die Röntgenstrahlung.

Viele Moleküle besitzen eine ungleichmäßige innere Ladungsverteilung der Elektronen in der Hülle des Molekülverbandes. Rotieren oder schwingen diese Moleküle, dann führen die Ladungsträger eine beschleunigte Bewegung aus (z.B. Radialbeschleunigung der Kreisbewegung) und emittieren demzufolge elektromagnetische Strahlung. Diese Strahlung ist langwelliger als die Röntgenstrahlung und kann z.B. im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums oder im Infrarotbereich nachgewiesen werden.

Großräumige Strömungen von geladenen Teilchen auf der Oberfläche der Sonne sind der Ausgangspunkt von Radiowellen.
Würden die menschlichen Sinne für alle Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung gleichermaßen empfindlich sein, dann müssten wir ein regelrechtes Signal- und Rauschgewitter der verschiedensten elektromagnetischen Wellen wahrnehmen. Wir können mithilfe der Augen aber nur den sichtbaren Teil der elektromagnetische Strahlung registrieren und bleiben so von der verwirrenden Vielzahl aller ankommender Wellen verschont.

Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen besitzen viele Eigenschaften, die unabhängig von ihrer Wellenlänge bei ihnen feststellbar sind. Bei diesen Eigenschaften handelt es sich vor allem um solche, die auf beliebige Wellenarten zutreffen und die daher häufig auch als charakteristische Merkmale von Wellen bezeichnet werden. Hierzu zählen die Reflexion (Bild 3), die Brechung, die Beugung (Bild 4) und die Interferenz (Bild 5).

An allen Arten von elektromagnetischen Wellen kann man diese vier Merkmale durch Experimente nachweisen. Allerdings unterscheiden sich je nach Wellenlänge der untersuchten Strahlung die dabei genutzten Untersuchungsmethoden. Während man bei hertzschen Wellen Interferenz- und Beugungserscheinungen mit einem Empfänger großräumig ausmessen muss, beobachtet man das gegenseitige Auslöschen und Verstärken von Lichtwellen mithilfe von speziellen Strichgittern an einem Auffangschirm.

Für den Nachweis der Röntgenbeugung und Interferenz wird die Strahlung durch Kristalle geleitet, deren Atome als Beugungspunkte wirken.
Durch die Anwendung von Polarisatoren können elektromagnetische Wellen auch polarisiert werden. Bei polarisierten Wellen erfolgt die Schwingung der elektrischen Feldstärke nur in einer vorgegebenen Richtung.

Elektromagnetische Wellen breiten sich in Stoffen und im Vakuum aus. Sie werden von Isolatoren hindurchgelassen (Bild 6) und an Leitern reflektiert. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beliebiger Wellen kann aus der Wellenlänge $\lambda$ und der Frequenz f mithilfe der Gleichung

$c=\lambda \cdot f$

ermittelt werden. Zusätzlich lässt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit aller elektromagnetischer Wellen im Vakuum aus der magnetischen Feldkonstanten ${\mu }_0$und der elektrischen Feldkonstanten ${\epsilon }_0$ermitteln. Es gilt für das Vakuum:

$c=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0\cdot {\mu }_0}}$

Aus dieser Gleichung folgt, dass alle elektromagnetischen Wellen im Vakuum die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzen. Sie beträgt ca. 300 000 km/s und ist mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit identisch.

In Stoffen hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Dielektrizitätszahl ${\epsilon }_r$und der Permeabilitätszahl ${\mu }_r$ab. Es gilt:

$c=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_r\cdot {\epsilon }_0\cdot {\mu }_r\cdot {\mu }_0}}$

Dabei bedeuten:

${\epsilon }_0$ ... elektrische Feldkonstante
${\epsilon }_r$ ... Dielektrizitätszahl (Permittivitätszahl)
${\mu }_0$ ... magnetische Feldkonstante
${\mu }_r$ ... Permeabilitätszahl