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Lexikon Physik

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen sind sich im Raum ausbreitende elektromagnetische Felder, die wie alle Wellen Energie (nämlich elektromagnetische Feldenergie) transportieren, aber keine Materie. Anders als man bis Ende des 19. Jh. annahm, besitzen elektromagnetische Wellen kein Trägermedium, wie dies etwa bei Wasserwellen oder Schall der Fall ist, sondern pflanzen sich auch durch das Vakuum fort. Im Vakuum stehen Ausbreitungsrichtung, elektrisches und magnetisches Feld jeweils paarweise aufeinander senkrecht; es handelt sich also um Transversalwellen.

Die Existenz von elektromagnetischen Wellen folgt direkt aus den Maxwell-Gleichungen und man erhält für die Geschwindigkeit c0 dieser Wellen im Vakuum

\(c_0 = \dfrac 1 {\sqrt{\epsilon_0\mu_0} } = 2,998 \cdot 10^8\, \dfrac {\text m}{\text s}\)

(\(\epsilon_0\): elektrische Feldkonstante, \(\mu_0\): magnetische Feldkonstante). Der Ausdruck enthält nur Konstanten und ist insbesondere unabhängig davon, wie sich ein Beobachter relativ zu den Wellen bewegt – dies ist ein erster Hinweis auf die allgemeine Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, einer der Grundlagen der Relativitätstheorie. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Medium wie z. B. Glas oder Wasser ist um einen Faktor n kleiner, den man den Brechungsindex nennt. Es gilt die Maxwell’sdche Beziehung

\(n = \dfrac { c_\text{Medium} }{c_0} = \sqrt{\epsilon_\text r \mu_\text r } \)

(\(\epsilon_\text r\): Dielektrizitätszahl\(\mu_\text r\): Permeabilitätszahl). Das sich elektromagnetische Wellen mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Licht ausbreiten, war ein erster Hinweis darauf, dass Licht eine Form von elektromgnetischen Wellen ist. Diese Erkenntnis machte die Optik zum Teilgebiet des Elektromagnetismus. 

Elektromagnetische Wellen werden von beschleunigten elektrischen Ladungen abgegeben, wenn die Ladungen sinusförmig schwingen, werden die abgestrahlten Wellen ebenfalls durch eine Sinusfunktion beschrieben. Ein besonders einfaches Beispiel für diesen Vorgang ist der Hertz’sche Dipol (nach Heinrich Hertz, der 1886 als erster mit einem Schwingkreis gezielt elektromagnetische Wellen erzeugt hat). Eine Schaltung, mit der sich elektromagnetische Wellen erzeugen und empfangen lassen, heißt Antenne. Wird die Strahlung bei einem einmaligen Abbremsvorgang erzeugt, spricht man auch von Bremsstrahlung, in ringförmigen Teilchenbeschleunigern von Synchrotronstrahlung.

Je nach Wellenlänge bzw. Frequenz unterscheidet man verschiedene Spektralbereiche von den Radiowellen über Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett und Röntgenstrahlen bis hin zur Gammastrahlung. Die Gesamtheit aller Spektralbereiche ist das elektromagnetische Spektrum.

In der Quantenmechanik besitzen alle mikrophysikalischen Objekte sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Insbesondere tritt elektromagnetische Strahlungsenergie immer nur in Lichtquanten oder Photonen genannten „Paketen“ auf. Der Teilchencharakter der Strahlung wird durch Experimente wie den Fotoeffekt oder den Compton-Effekt bestätigt.

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